浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析

采用计算流体动力学(CFD)方法对OC4-DeepCwind半潜式风机基础在30～100 m水深下的水动力特性和非线性波浪荷载进行了研究。基于验证的数值波浪水池,通过结构自由衰减运动及规则波下浮式基础的幅值响应算子(RAO)计算,分析了浮式风机基础的结构动力特性及水动力特性随水深的变化规律,研究了浅水条件下非线性波浪荷载特征。研究结果表明,随着水深的减小,风机基础结构垂荡固有周期略有增大,垂荡和纵摇的阻尼比均呈现逐渐增大的趋势;与黏性流理论计算结果相比,势流结果在浅水波浪工况下对垂荡和纵摇RAO存在显著低估;在浅水波浪作用下,风机基础所受波浪荷载的三倍波频成分占比可超过5%,体现了浅水条件下波浪与结构之间较强的非线性作用。     

浅水区波浪非线性效应对砂质海床动力响应的影响

以广义Biot动力固结理论为基础,运用一阶椭圆余弦波和二阶Stokes波等非线性波浪理论考虑浅水区波浪荷载的非线性效应,在时域上采用有限元方法对非线性波浪力作用下饱和砂质海床的动力响应进行了数值求解,并与线性波浪作用下海床动力响应特性进行了对比分析。结果表明,随着波长与水深之比L／d及无量纲参数T(g/d)^1/2的增大,非线性波浪对海床动力响应的影响增大。与线性波浪理论相比,孔隙水压力与有效应力幅值的增大效应非常显著。因此在近海海洋建筑物设计与工程场地评价中,波浪力的非线性特性必须引起注意。     

浅水非线性波作用下沙质底床孔隙水压力响应数值分析

近岸水深较浅,波浪具有较强的非线性,海床破坏与波浪作用下孔隙水压力的分布有着密切的关系。波浪场控制方程采用雷诺时均方程和k-ε紊流模型,入射波采用椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面;海床域以Biot动力固结理论为基础,建立了非线性波浪与海床相互作用的弱耦合数学模型,获得椭圆余弦波作用下沙质海床中孔隙水压力响应规律。计算结果表明,与线性波浪相比,浅水非线性波作用下沙质海床中孔隙水压力幅值增大非常显著。     

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。     

砂土中四筒导管架风机基础抗弯承载力研究

针对一种四筒导管架海上风机基础,基于有限元数值分析,通过建立砂土中不同筒径和筒高的四筒导管架基础有限元模型,研究砂土中单调弯矩荷载的作用下,筒径与筒高对导管架基础抗弯承载力的影响。分析结果表明:四筒导管架风机基础的抗弯承载力随着筒高或筒径的增加呈明显的增长趋势,相比于筒径的增加,筒高的增加对提高基础抗弯承载力更为有效;在极限弯矩荷载的作用下,基础旋转中心水平向位置受筒高的影响较大,但竖向位置受筒高和筒径的影响很小。     

豪华邮轮耐波性及救生艇砰击载荷特性研究

利用基于三维势流理论的Wasim软件,系统研究了在不同海况下大型豪华邮轮的耐波性能及作用在救生艇上的砰击载荷。首先计算豪华邮轮在规则波和不规则波中的运动响应,分析航速、浪向和海况对豪华邮轮运动响应的影响规律,然后计算救生艇在不同海况下砰击载荷的变化规律,根据变化规律评估救生艇在实际航行中的安全性。结果表明：豪华邮轮运动响应幅值随着航速和海况的增大整体呈增大趋势,规则波中横摇运动响应幅值在浪向90°时最大;当豪华邮轮处于4级和6级海况时救生艇不发生砰击;当豪华邮轮处于8级海况且航速大于10.29 m/s时救生艇发生砰击,为保证救生艇的安全,邮轮应避免在浪向120°和浪向150°下航行,此时建议邮轮以低于12.35 m/s的航速迎浪180°航行。     

考虑流固耦合的桁架式近海结构物波浪载荷及动力分析

以由不同直径、杆件方向和长度的圆柱形水下杆件构成的桁架式近海结构物为对象,提出了考虑流固耦合的结构物波浪栽荷和动力响应的数值分析方法:首先逐一计算组成桁架式结构的每一杆件的渡浪力,然后对这些单一杆件的波浪力进行叠加来得到结构物的整体渡浪载荷.同时利用时域分析方法求解结构物的动力响应.算例表明:与考虑流固耦合情况下的平台波浪载荷和动力响应计算结果对比,忽略辅助杆件响应贡献的计算结果与之存在较大差异;不考虑流固耦舍情况下的计算结果在结构物的固有周期附近与之差异较大,在远离固有周期的区间则差剐不大.对平台进行分析时有必要记入辅助杆件的响应贡献.并且考虑流固耦合的影响.     

非线性波浪作用下埋置管道上波浪力简化计算

由于浅水区波浪的非线性影响显著,浅埋管道受非线性波浪荷载的影响大,为了保证管道长期运行的稳定性,在管道设计过程中需要充分考虑由非线性波浪引起的波浪力。考虑孔隙水和海床土的压缩性,基于Biot固结理论和一阶近似椭圆余弦波理论,利用分离变量法推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力,进而给出了埋置管道上的波浪力压力解析解,并与已有的文献结果进行比较。计算结果表明,在椭圆余弦波的作用下,海底管道周围海床内的渗流压力呈正弦分布,且管道所受的波浪力随着管径的增大而增大。     

考虑流固耦合时的海洋平台结构非线性动力分析

采用非线性的Morison方程,建立了考虑流固耦合时的海洋平台非线性动力方程及其时程分析方法.以一固定式导管架平台为算例,计算了考虑流固耦合时的海洋平台浪致振动响应,比较了考虑流固耦合和不考虑流固耦合时海洋平台动力响应的差异.算例表明：在较大的波浪条件下,不考虑流固耦合时的计算结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果,因此,偏于不安全.分析认为,在极端海况条件下,考虑流固耦合的分析方法更符合实际情况.     

海上风电倒Y形导管架筒型基础受力特性研究

以一6.7 MW风机为研究对象，提出了一种适用于30~50 m水深的海上风电倒Y形导管架筒型基础结构型式，采用三维精细有限元模型对结构的受力特性展开研究，包括结构的自振特性以及在随机风浪流荷载作用下的动力响应。研究结果表明，倒Y形导管架筒型基础采用“三腿变六腿”导管架的结构型式，能够更加有效的将上部荷载传递至下部筒型基础，具有较好的受力特性和传力体系；整机结构的前两阶自振频率均在风机允许运行的频率范围内；在50年一遇极端随机风浪流荷载作用下，整机结构的位移响应和应力响应，均可满足结构安全使用要求。     

Experimental investigation of wave slamming on an open structure supported elastically

The superstructures of marine structures supported by the elastic legs and located in the splash zone will subject to violent wave slamming and vibrate consequently during storms. A series of model tests are carried out to investigate the wave impacting on the open structures supported elastically. Three kinds of models with different natural frequencies are designed. The characteristics of the wave pressures on the three models are compared. The durations of the uplift forces and the corresponding accelerations of the structure during wave impact are analyzed simultaneously. The distributions of the peak impact pressures on the subfaces of the plates with different supporting stiffness are given. The relationship between the uplift force on the three models and the relative clearance are obtained. The spectral properties of the slamming loads on the three different structures are compared. The experimental results indicate that the behaviors of the impact pressures, the uplift forces and accelerations of the plates with small natural frequencies are obviously different from those of the plates with larger natural frequencies within the range of the experimental parameters.     

基于2010—2020年东海风浪统计数据的海上风电吸力桶基础动荷载承载特性

为了得到桶基础承受风、浪动荷载的承载性能,结合我国东海地质条件,统计中国东海2010—2020年浅、深海风速和最大海浪数据,通过计算得到风浪荷载并制成ABAQUS软件幅值曲线施加到海上风电吸力桶基础上,分析了吸力桶基础在动荷载作用下的承载特性。结果表明：吸力桶基础受风、浪荷载影响明显,桶基础迎力面受到风浪动荷载产生拉拔现象。在浅海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形不协调,风浪荷载最大的10月份桶基础迎力面最大位移超出了规范0.02D的限制,基础失稳;桶基础背力面受压变形较小。在深海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形相对协调,施加风浪荷载后桶体迎力面最大位移为14.9 mm,整体上迎力面位移比背力面位移大4 mm,桶体处于稳定状态。相较浅海区的吸力桶单桶结构,深海区吸力桶结构由于尺寸增加,桶体的稳定性得到提高,说明吸力桶结构的尺寸对稳定性起决定性作用。     

支撑结构频率对海上风机动力响应的影响机理研究

海上支撑结构的优化设计是海上风机技术发展的必然趋势,降低支撑结构的载荷是保证风机安全运行的有效途径。海上支撑结构受到风浪复杂环境荷载作用,风、浪载荷决定着塔底承受较大的剪力和倾覆力矩,同时风浪的随机性和周期性会影响塔架的疲劳载荷。基于海上风机支撑结构频率对载荷影响的研究,分析海上支撑结构频率对叶片根部挥舞和摆振响应的影响,探究频率对风机响应的影响机理。研究表明：波浪频率诱导是基础疲劳载荷响应的主要原因;开展单桩基础设计,当整机频率确定时,基础变径段可设置于浪溅区下部区域范围;叶片摆振响应受1P频率影响较大,在风机设计时可增加叶片摆振方向的阻尼;当整机频率邻近3P频率时,塔筒刚度变化对基础载荷响应的影响大于基础刚度变化;海上支撑结构设计时可优先考虑塔筒刚度。     

Computation of wet deck bow slam loads for catamaran arched cross sections

A computational model for catamaran wet deck slamming is developed on the basis of the variation of added mass as the hulls enter the water. In the case of a wave-piercing catamaran the bow cross section has a double arch cross section and slamming occurs when the arches fill. Residual air is entrained at the top of the arch due to bubble formation by turbulent mixing and this modifies the effect of the water added mass on the hull. The computational model therefore introduces a soft connection between the water added mass associated with the slam and the hull. The method has been evaluated by comparison with two-dimensional model drop tests in terms of the maximum forces and acceleration imposed on the hull, the variation of velocity during the slam event and the depth of penetration into the water. It is concluded that the added mass computation is adequate for slam modelling in global motions and loads calculations since it gives a good representation of the maximum total forces on the section and their duration.     

支撑刚度对水平板波浪冲击压力影响

上部结构位于浪溅区及由弹性桩腿支撑的海洋结构物,如海上栈桥和海洋平台等,在恶劣海况下会受到强烈的波浪冲击作用并产生振动响应。通过物理模型实验研究了波浪对三种不同支撑刚度的结构物冲击作用。分析了不同支撑刚度结构物底面冲击压力和冲击力的变化特性。讨论了支撑刚度对结构波浪冲击力的影响,给出了冲击压力和冲击力随相对净空(s/H)和相对板长(B/L)的变化规律。实验分析结果表明:水平板底面波浪冲击压力与冲击力均随弹性支撑刚度K的增大而增大;随相对净空(s/H)的增大先增大后减小;随相对板长(B/L)的增大而减小。     

楔形物体在静水与波浪中自由入水砰击试验研究

通过自由落体的入水方式,分别在静水和规则波中开展了两种不同横剖面的曲面楔形体入水砰击问题试验研究。使用高速摄像系统记录楔形体入水过程流场演变和运动特性,采用加速度传感器和压力传感器进行数据的动态采集。试验结果表明,在静水中入水时,外凸剖面楔形体入水砰击后模型两侧的射流飞溅比反曲剖面更剧烈,而在楔形体前端的水面以下部分形成的气腔更小;在规则波中入水时,对于相同模型,在波峰和上跨零点相位下模型入水砰击后两侧的射流飞溅比在波谷相位更剧烈。相同工况时,反曲剖面模型所受砰击的加速度峰值和压力峰值更小;在相同的入水速度下,对于相同模型,波浪载荷和砰击载荷的共同作用会使模型所受砰击压力显著增大。     

Simulation of Flat-Bottom Structure Slamming

1.Introduction Inthepastdecades,theproblemofwaterentryhasbeenstudiedextensively(VonKarman,1929;AraiandMiyauchi,1998;ZhaoandFaltinsen,1993;Chuang,1966,1967;Takagiand Dobashi,2003).ThepioneerworkcanbetracedtoWagner’smomentumimpacttheory.Hecalculat edthevelocitypotentialaroundthefallingbodyandeducedaformulaofpressureactingonthefalling bodyvaryingwithtimeandspace.Butinhistheory,manyassumptionsweremadeandtheroleofair wasignoredsothatsomeerrorsoccurwhenhisformulaisusedtopredictthepressureofimp…     

波浪对透空式结构物冲击作用的光滑粒子流体动力学数值模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的二维数值波浪水槽模拟了规则波对透空式结构物的冲击作用。通过黎曼解和CSPM相结合的方法对连续方程和动量方程进行了修正。对造波边界采用虚粒子法模拟。提出了一种耦合计算方法来消除造波边界附近的压力波动现象,在结构物边界处设置了适合的冲击边界条件。应用修正的SPH模型模拟了规则波对浪溅区结构物的冲击作用,给出了结构物附近流场和压力场的变化特征,并应用物理模型试验结果对数值模型进行了验证。     

A combined wind and wave energy-converter concept in survival mode: Numerical and experimental study in regular waves with a focus on water entry and exit

A combined wind and wave energy converter concept, named STC concept was proposed. Model tests were performed in terms of operational and survival modes. Water entry and exit phenomena as well as green water on deck were observed during the survivability model tests. In this paper, a nonlinear numerical model based on a blended station-keeping potential-flow solver with a local impact solution for bottom slamming events and an approximated model for the water shipped on the deck is proposed to simulate these nonlinear phenomena. Physical investigation of the water entry and exit process was firstly carried out and uncertainty analysis of the model test results were performed. Numerical comparisons between the nonlinear solver and model test results are then performed in terms of mean, wave frequency and double wave frequency motion response components. The slamming and green water involved in the water entry process are specially investigated, in terms of the physical evolution and the effects on the dynamic motion responses. The validation work on the occurrence of slamming and water on deck as well as the slamming pressure are performed.