浮式两级缓冲防撞系统及浮体结构构型研究

以浮式两级缓冲防撞系统为研究对象,介绍其工作原理,利用动力学分析软件LS-DYNA构建了碰撞模型并进行了仿真计算,依据仿真结果完成了以阻尼索组与浮体结构构型为主要内容的防撞系统设计。研究确定了阻尼索组的布置位置、材料及数量,为浮体内部结构构型设计了7种比选方案,分别对5 000 t船舶撞击浮体前梁和侧梁的动态过程进行了仿真分析,对比了不同方案及不同板梁厚度下的接触力。研究结果表明:浮体内部构造若选用板梁厚度12 mm的方案6设计,则碰撞发生时浮体前梁和侧梁分别可以稳定地提供10.4 MN和7.9 MN的均值力,以及11.5 MN和8.9 MN的峰值力,设计浮体能够满足整体刚度要求,防撞系统符合双保护原则。防撞系统及浮体结构构型设计为下一步全面开展船舶撞击防撞系统后的动力学响应分析奠定了基础。     

非通航孔桥墩自适应拦截网防撞装置实船拦截试验与水动力计算

针对非通航孔桥墩,研发了一种自适应拦截网防船舶撞击装置,主要由系泊大浮体、系泊锚链和固定锚、自适应小浮筒、拦截网、恒阻力缆绳以及触发钢索所组成。阐述了该防撞装置设计原理,即偏航船舶撞击该防撞装置,小浮筒会带动拦截网自适应地从水平状态竖起展开,包裹住来撞船首,再通过相连浮体的运动阻力和恒阻力缆绳来吸收船舶动能,拦截住船舶,保护非通航孔桥墩安全。随后介绍在福建平潭海峡大桥引桥附近海域实施的实船撞击自适应拦截网防撞装置的大型试验,试验结果显示:自适应拦截网成功升起,船舶被安全拦截,从而实验证实了设计原理与设计方案的可行性和可靠性。最后,采用大型水动力分析软件AQWA对防撞装置拦截船舶过程进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致,说明了数值仿真具有较好的计算精度和可靠性,能够为该防撞装置的结构设计与优化提供重要的参考。     

100kW一基多体漂浮鹰式波浪能发电装置模型试验研究

一基多体漂浮鹰式波浪能装置是一种新型的利用波浪发电的离岸漂浮式波浪能装置群,该波浪能发电装置是对已经成功发电的"鹰式I号"波浪能装置的改进优化。文中介绍的一基多体漂浮鹰式波浪能装置由4个鹰头吸波浮体、浮力舱、波浪能母船(水下附体)、半潜船、能量转换系统、锚泊系统等组成。该波浪能装置特殊设计为4个鹰头吸波浮体对称安装在一个波浪能母船上,共享能量转换系统和锚泊系统。通过一系列水槽模型试验,获得匹配各个波浪要素最优负载,测得模型在不同波浪要素下的一、二级能量转换效率,以及锚泊系统的受力。试验结果表明,模型具有良好的水动力学性能,模型俘获波浪能的能力并不受入射波的来浪方向影响,锚泊系统对模型起到了稳固、提高波浪能俘获效率的作用。     

系泊平台碰撞外部动力学的数值仿真研究

海洋平台通常在近岸系泊状态下作业,附近常有穿梭油轮和供应船的航行或停靠,因此系泊状态下的平台被碰撞的机会较多。平台一旦遭受碰撞,其结构将受到严重的破坏,因此对该状态平台动力特性的研究具有重要意义。本文结合碰撞的外部动力学和多体动力学理论,对软钢臂单点系泊条件下的海洋平台进行碰撞分析,对平台碰撞特性和系泊装置的运动响应进行了研究,分析了系泊平台的运行轨迹及能量耗散情况,为平台在系泊状态下的安全性提供依据。从分析结果可以看出:相比于无系泊状态的碰撞,系泊平台遭受侧向撞击时,平台的纵荡位移可降低30%～40%,但由于系泊系统的存在,横荡速度和位移显著增加,但整体偏转幅度降低(即艏尾位移减小);垂荡位移大幅度增加,速度波动较大,振动明显;横摇和艏摇的角速度和角度幅值降低,沿近似正弦曲线变化。     

基于MATLAB and Simulink的波浪能装置液压能量转换系统仿真研究

液压式能量转换系统是波浪能发电装置应用最为广泛的一种能量转换方式。本文针对波浪能液压能量转换系统展开了模型仿真研究,建立了带有蓄能稳压环节和液压自治控制器的波浪能装置液压能量转换系统的数学模型。基于所建立的数学模型搭建了波浪能装置液压转换系统的MATLAB and Simulink仿真框图,对系统进行仿真,并利用实海况实验得到的发电数据和仿真数据进行对比。结果显示,二者之间的相对误差较小,验证了该系统仿真模型的准确性。此外,还分别模拟了规则波和随机波输入情况下液压能量转换系统的发电特性曲线。仿真结果表明,无论是规则波还是随机波,经过液压能量转换系统之后,输出的发电特性都比较稳定,也即是利用该能量转换系统实现将不稳定的波浪能转换成稳定的电能,提高了发电质量,为后续的电力输送及并网提供了便利。     

一种越浪式波能发电装置越浪量和波压力的试验研究

越浪式发电装置具有结构稳定、可靠性高等优点。在前人的研究基础上,对越浪式波能发电装置的模型进行了优化设计,通过模型实验研究了该波能发电装置在不同波况、不同干舷高度下对波能的俘获能力以及结构的受力情况。对越浪量的试验结果进行了无量纲分析,分别得出了越浪式模型装置的越浪量关于干舷高度和波高的指数函数拟合曲线,总结了两者对越浪量影响的普遍规律。通过对规则波和不规则波波浪作用下装置受力结果的归纳总结,探讨了波能装置波压力和浮托力变化的一般规律。本研究可为越浪式波能发电装置的研究提供参考依据,为波浪能的利用提供一定的参考价值。     

FPSO串靠外输时的碰撞性能分析

FPSO与穿梭油轮进行串靠外输过程中,穿梭油轮首部可能与FPSO尾部发生碰撞事故,称为"尾碰"。目前的相关研究主要集中在碰撞过程中的风险分析,缺少对FPSO"尾碰"事故碰撞性能的合理分析与评估。本文针对某15万吨级FPSO,基于动态非线性有限元分析软件ABAQUS,采用同步损伤分析技术,研究了串靠外输过程中FPSO与穿梭油轮之间由于过分纵荡运动而引起的碰撞事故。通过数值仿真计算,分析了包括"尾碰"后结构的损伤变形、应力应变关系、碰撞力和吸能情况的船舶碰撞内部动力学,进而对FPSO尾部结构的碰撞性能进行评估。结果表明,FPSO尾部结构中板材结构吸收的能量约占尾部结构总吸能的75.5%,其吸能能力显著优于T型骨材结构,研究结果对FPSO尾部结构的耐撞性设计具有一定的参考意义。     

浅水FPSO限位作业系泊分析

以浅水单点系泊装置水下软钢臂维修解脱为背景,研究在拖轮限位状态下FPSO运动与限位缆绳张力。计算在不同水深及浪向条件下,FPSO的二阶传递函数(QTF);分别应用Newman近似方法、全QTF法以及使用部分QTF值的方法,计算FPSO时域低频波浪载荷,并对其限位响应进行对比;计算不同长度时的限位缆绳张力响应,分析限位缆绳长度及FPSO波频运动对缆绳张力的影响。分析表明:Newman近似的适用性,应根据FPSO的QTF与海浪谱能量集中范围综合判断;为减少QTF计算量,可根据FPSO低频运动固有频率,确定频率间隔△ω的计算上限,采用部分QTF值计算低频波浪载荷,其响应预报结果与全QTF法接近;若FPSO的RAO能够避开海浪谱能量集中的频率范围,则在限位分析中可忽略FPSO波频运动的影响。     

铰接柱式波能转换装置的水动力分析

铰接柱式波能转换装置是一种新型的波能转换装置,本文为该装置提出了一个合理而又便于计算的水动力学模型,并采用三维源分布法对该装置进行了水动力分析,通过与该装置的模型试验结果的比较,显示出所得的计算结果是令人满意的。     

基于CFD标体结构流场及声学仿真分析

为了更好地研究潜标标体结构在水下受到流体的扰动情况,对设计的4种标体结构在水下的流场分布情况及噪声情况进行了仿真分析和比较研究。借助流体分析软件FLUENT对4种标体结构周围流场中的速度场、压力场及标体周围产生流噪声的大小进行了仿真分析,比较4种结构对流场的干扰大小,争取得到对流场干扰较小的标体结构外型。通过比较分析结果,可以对现有标体结构进行针对性的改进,同时为后期标体结构设计指明了方向,能够使标体在水中更好地发挥作用和功能,增加使用寿命提高工作准确度。     

基于VOF模型的浮式消波海流机性能优化

针对浮式消波海流机样机测试时出现的问题,对其吃水深度线和叶片安装角度进行优化。根据装置结构特点,用Gambit建立了装置横截面的二维网格模型。根据浮式消波海流机实际工作环境,利用Fluent流体仿真软件,使用VOF(volume of fluid)两相流模型,分配空气相与液态水相在流域中的不同比例,来确定不同的吃水深度线。并且结合k-epsilon紊流模型建立模拟仿真环境。先对3种水线进行仿真分析,然后进行实验验证。通过分析对比装置的3种不同吃水深度线的模拟与实验结果,得到装置的最优吃水深度线为1/3水线。基于最优吃水深度线,分别对叶片的4种安装角度在相同的仿真环境中进行模拟仿真。利用仿真得到的扭矩数据,计算扭矩系数、功率系数,分析对比仿真数据以及仿真过程中扭矩趋势图得出4种叶片安装角度的最优角度是90°。吃水深度线决定了装置的消波能力,并且为叶片获能提供条件,叶片安装角度直接影响着装置的获能效率,所以最优的吃水深度线和叶片安装角度对海流机的消波能力和获能效率具有重要意义。     

垂荡式波浪能装置运动模型数值分析

垂荡式波浪能装置在海洋可再生能源开发中被广泛应用,通过浮子与摇杆在垂荡方向的相对运动吸收波浪能。在以往相关的运动预报数值分析中,通常基于微幅波假设,仅考虑浮子与摇杆在垂荡方向的运动,忽略摇杆其他自由度运动。建立并求解了垂荡式波浪能装置的非线性联合运动方程组,分析垂荡式波浪能装置的波浪载荷、浮子与平台连接处的受力情况。数值计算系统的运动响应,并将计算结果与已有的试验数据进行比较验证,结果表明数值模拟的垂荡式波能装置的运动响应与试验结果相符合。最后,应用本计算方法分析PTO(power take-off)参数对波能装置发电性能的影响。     

陀螺效应作用下水下航行体动力学模型

当安装于水下航行体上的旋转装置质量或转动惯量达到一定程度时,其对水下航行体运动与操纵的影响是不可忽略的。针对安装于水下航行体上的旋转装置,分析了水下航行体运动时装置的陀螺效应。得出了旋转装置陀螺力的明确数学方程。不失方法的一般性,假设旋转装置只在运动坐标系的X轴方向有旋转角速度,推导了在考虑陀螺效应作用的情况下水下航行体的六自由度模型方程;以此为基础,建立了水下航行体的仿真模型并对水下航行体的水下运动特性进行了仿真,分析了旋转装置的质量、角速度对水下航行体运动特性的影响规律,从而为研究在考虑陀螺效应情况下的水下航行体操纵奠定了基础。     

分层纵向水下无线光信道建模研究

水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)是水下物联网感知层的新兴技术之一。在感知层中,UWOC 技术常被用于支持数据的纵向上行传输。针对几何光学理论无法准确描述 UWOC 链路衰减的问题,研究了基于 MIE 散射理论的纵向 UWOC 信道模型;提出了分层的纵向海水介质模型,在此基础上设计了一种利用蒙特卡洛仿真方法对 UWOC 纵向链路进行评估的方案。该方案考虑了收发装置空间位置的非对齐以及出现位置失配的情况,通过该方案可求得 UWOC 链路冲激响应的数值结果,研究成果对于 UWOC 设计具有重要意义。     

深弹发射装置高温抗腐蚀隐身涂层研究

高温抗腐蚀隐身涂层应用于深弹发射装置,具有深弹发射时耐高温、抗腐蚀、隐身性能较高的优点.为全面提高传统火箭深弹的隐身效果,其主要技术瓶颈是突破在高温尾焰工作环境下深弹发射装置有效提高隐身性能.针对该技术瓶颈,提出了一种吸波复合材料.通过对该方案的理论研究和仿真理论模型的计算表明:采用吸波复合材料满足深弹发射装置的隐身性...     

浅海环境水声传播数据实测与仿真分析

搭建了一套水下录音记录系统,在复杂浅海环境进行了水声数据采集实验;对于水声采集数据进行了距离、频率谱分析,利用MIT开发的声学计算程序OASES针对声场进行了仿真分析。通过模拟结果和实测结果的比较,优化调整仿真程序的环境参数,分析发现影响声场分布的主要因素为沉积层压缩波声速与声源深度。通过这种方式,优化了仿真软件的环境参数,初步建立了比较准确的浅海水声环境仿真模型,取得了预期实验效果。     

泡沫镍为集流体的膜电容去离子脱盐性能研究

文章为了解决淡水资源短缺这一严峻的问题，考虑将能耗小、无化学再生等优点的膜电容去离子技术作为基础，对其进行改进与优化，即将低电阻、高比表面积和高孔隙率的泡沫镍替代传统集流体。并利用改进后的装置进行实验，分别探讨电极材料、电压和盐水流速等因素对脱盐效率的影响。将未加电极材料和加3种不同的活性炭作为电极材料的装置进行脱盐实验，根据结果得出，在脱盐过程中起主要作用的仍然是电吸附过程，通过进一步对电极材料进行表征，讨论得出脱盐效率与比表面积和孔径分布均有关系。随后在最优电极材料的条件下，讨论得出最优的操作条件，即在施加电压为1.6 V、盐水流速为10 mL/min下可以达到最佳的脱盐效率，吸附量为8.9 mg/g。且通过长时间的吸脱附实验得出电极材料AC1具有良好的再生能力。     

分层斜坡越浪式波能发电装置结构受力试验研究

分层斜坡越浪式波能发电装置作为一种重要的波能转换型式,在开发利用波浪能的同时,可与防波堤或护岸工程相结合,将海岸工程的被动消能变为主动吸能,提高综合效益。在实际工程应用中,分层斜坡越浪式发电装置引浪面在波浪荷载作用下的安全性成为首要问题,由于其引浪面与防波堤或护岸的护面对水体磨阻影响不同,因此水体对结构的作用力不同,已有的斜坡式防波堤所受波浪荷载的研究无法用于指导分层斜坡越浪式发电装置引浪面的结构强度设计。通过水工物理模型试验,对分层越浪装置引浪面在不同波况条件下的结构受力进行研究分析,获得越浪装置引浪面上点压力及波浪力的分布规律,为装置的结构设计提供理论指导及设计支持。     

海岸破波带内悬沙空间分布试验研究和解析表达式

关于海岸破波带内悬沙浓度水平和垂向分布的研究对于计算海岸输沙率和地形演变具有重要意义。本研究进行了规则波、波群和不规则波三种波浪情况破波带内悬沙浓度的水平和垂向分布的试验测量。试验在大尺度波浪水槽进行,接近实际海岸波况尺度。给出了破波带内多断面悬沙垂向分布的细致测量结果,并以此为基础给出了预报实际海岸破波带内悬沙浓度水平和垂向分布解析表达式,讨论了形成这些分布的物理原因和不同波况、不同破波带区域对分布的影响。     

基于RANS方程的桩式U-OWC装置波浪荷载分析

使用OpenFOAM建立基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型的三维数值水槽,对桩式U-OWC装置在不同周期和波高的正向入射规则波作用下的受力情况进行分析。首先将数模结果与物理试验结果进行对比验证校核,然后通过数值模拟对装置的受力情况进行了分析,分别研究了作用在装置上作用力和倾覆力矩特点,装置上作用力和倾覆力矩随周期和波高的变化情况,以及装置稳定性极小状态。研究表明,装置所受到波向力、垂向力相比侧向力数值较大,对倾覆力矩起决定性作用。对装置上作用力和倾覆力矩进行无量纲分析,进一步发现在测试工况范围内,装置所受到的3个方向作用力中侧向力随周期变化不明显,明确了装置前的波浪爬高对装置波浪荷载和力矩的影响,并针对U-OWC模型特点和具体工况应用一个波浪爬高经验公式,获得了较好效果。