规则波作用下水下拖缆数值分析研究

研究了水面波浪对水下拖缆的干扰。首先基于集中质量法给出了三维非均匀拖缆在规则波作用下的数学模型,然后通过四阶龙格库塔方法进行数值求解,并根据仿真计算讨论了拖缆在不同波浪作用下的稳态响应特性。仿真结果表明,水下拖缆在规则波的作用下,不仅作近似的简谐振动,还会在横向、垂向产生一个偏移量,且随浪向角的变化呈现不同的响应特征。     

水下拖曳航行器水动力和拖缆姿态仿真分析

水下拖曳航行器是被广泛应用的水下监测平台。为掌握水下拖曳航行器的水动力及其拖揽姿态,文章通过CFD仿真分析计算其零攻角下的阻力系数,并通过多刚体-球铰模型建立其运动数学模型,分析不同航速下拖曳系统的总拉力、拖缆长度和航行器位置等的参数变化。研究结果表明：随着船舶航速的变化,拖曳系统各项参数变化的差别很大;在200 m深度时,6 kn航速相比4 kn航速的总拉力增加73%,而所需的拖缆长度仅增加1%。该数学模型可对不同航速下的水下拖曳系统的总拉力和拖缆姿态等做出预测,为拖曳系统设计提供技术支撑。     

高海况下无人水下航行器的横摇运动分析

为明确高海况下海况等级对无人水下航行器横摇运动的影响,得出满足某型无人水下航行器安全回收的海况条件,对高海况下无人水下航行器的横摇运动进行分析。运用频率响应法,分别在4级、5级和6级海况下,根据海浪谱密度函数和该型航行器的横摇频率响应函数,求得其横摇运动谱密度函数。再运用公式推导,得到其横摇运动的时域函数。使用MATLAB仿真软件对该型航行器进行横摇运动仿真,得到3种海况条件下,其横摇运动的时域函数图像,并验证仿真结果的准确性。仿真结论:高海况下的海况等级对无人水下航行器的横摇幅度有较大影响,满足其安全回收的海况条件为5级海况。     

波浪作用下潜标拖缆动力学分析

对三维潜标拖缆在规则波作用下的动力响应进行了研究,首先基于集中质量法给出了缆绳在规则波作用下的控制方程,然后提出了两种不同类型的自由端边界条件:质点型和艇型自由端边界条件,前者把拖体视为作三个自由度线运动的质点,而后者把拖体视为作六自由度运动的艇体,最后用有限差分法进行了数值研究。数值计算结果表明潜标拖缆在规则波的作用下,不仅作近似的简谐振动,还会在横向、垂向产生一个偏移量,该偏移量的大小随浪向角的变化而变化,另外受遭遇频率的影响,振动的幅值也随浪向角的变化而呈现不同的特征。     

水下非均匀拖缆稳态动力学分析

水下拖缆物理参数不均匀会影响拖缆的动力特性,研究非均匀拖缆的参数变化对拖缆动力特性的影响有一定的工程实际意义。建立了拖曳系统运动的三维数学模型,推导出了水下非均匀拖缆的稳态运动控制方程,在首尾两端加上相应的定解条件,直接求得或使用嵌套二分法求得非均匀拖缆在端点的初始值,进而求解稳态动力学方程。借助文献中的拖缆—海底拖车系统算例,通过计算结果的对比,验证了数学模型及计算方法的正确性。通过四阶龙格库塔法进行数值仿真计算,得到了稳态解,分析了非均匀拖缆自身物理参数变化对缆绳系统稳态运动的影响。结果表明,非均匀拖缆的切向阻力系数、法向阻力系数、直径和密度变化会影响稳态缆形和张力分布,影响的程度各不相同。最后给出了两个尾拖船系统非均匀拖缆的稳态运动算例。     

水下拖曳系统运动姿态仿真研究

采用凝集参数法建立了水下拖曳系统的三维离散模型,该模型由一系列的质量点和不计重量的弹簧组成.采用数学模型编程对NCEL浮球实验和四个典型拖曳系统进行了仿真计算.计算结果表明此数学模型具有一定的理论意义和工程实用价值.     

极限海况下Spar平台系泊系统耦合动力分析

在复杂的风浪流海洋环境中,Spar及其系泊系统的耦合作用受多方面的影响。对极限海况下的某Classic-Spar平台及其系泊缆索的动力响应做了时域非线性耦合研究。重点分析了极限海况下一根或者多根系泊缆索断裂时平台运动及其缆索张力动力响应的统计特性。分析结果表明,在风浪流同向且共线的极限海况下,不同位置处的系泊缆索发生断裂,对整个平台系泊系统安全的影响程度不尽相同,尤其以迎浪方向系泊缆索的断裂影响显著。     

强海况下波流相互作用对有效波高的影响研究

波流相互作用作为非线性科学的前沿课题,一直受到国内外广大学者的关注。本文以2016年第1号超强台风“尼伯特”为例,基于波流耦合模式研究了台风影响期间强海况下波流相互作用对有效波高的影响。研究表明：（1）波流耦合模式可有效提高强海况下海浪的模拟精度;（2）波流相互作用对有效波高的影响与波向和流向之间的夹角关系密切：当波向与流向大致相同时,波流相互作用使有效波高减小;当波向与流向大致相反时,波流相互作用使有效波高增大;当波向与流向之间的夹角越接近90°时,波流相互作用对有效波高的影响越小。波流相互作用对有效波高的影响最大可达1.5 m。     

正弦激励下零浮力海洋拖缆动力特性与实验研究

海洋地震拖缆是海洋油气资源勘探中的关键设备,为研究海洋地震拖缆的动力特性及其在不同频率正弦激励干扰下的动力响应,建立了零浮力拖缆的数学模型,设计了一套完整的实验方案,通过弹性测力机构放大张力信号以排除环境干扰,测量了不同拖曳速度与激振频率条件下拖缆首部的张力变化及缆上位移响应情况,初步分析了正弦激励作用下零浮力拖缆的动力学响应。弹性测力机构具有良好的线性度与可重复性,拖缆受到的水阻力与拖曳速度的平方成正比,数值计算与实验结果对比验证了数学模型的正确性,初步分析了正弦激励作用下零浮力拖缆的动力学响应。     

水下溢油数值模拟研究

基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立了一个水下溢油数值模型。该溢油模型由两个子模型组成:羽流动力模型和对流扩散模型,其中羽流动力模型用以模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段;对流扩散模型用以模拟溢油的对流扩散阶段。通过数值实验,结合实验室水槽实验和水下溢油现场实验的观测资料进行模型验证。实验结果表明,模拟结果与观测资料一致性较好,从而验证了本文溢油模型的合理性和准确性;羽流动力模型为对流扩散模型提供源,海流、海水的垂向密度结构和油滴的直径分布是影响溢油在对流扩散阶段运动和分布的主要因素。     

深海拖曳系统水下控制技术研究

深海拖曳系统是人类开发利用海洋的一项重要手段。在众多深海探测装备中,深海拖曳系统以探测面积广、作业效率高、操控性能好等优势而得到了广泛应用。针对深海拖曳系统水下控制技术,从控制手段和控制策略2个方面对其发展历程、国内外研究现状等进行梳理,分析对比不同控制手段的优缺点,并对深海拖曳系统水下控制技术未来的研究方向进行展望,以期为深海拖曳系统的应用与发展提供参考。     

深海观测系统脐带缆形态分析及计算

通过对水下拖曳系统脐带缆索的受力情况、形态进行分析，建立了三维空间缆索的物理模型和数学模型，并在此基础上编制了计算程序，对6000m深海观测系统脐带缆的性状进行了模拟计算，其结果为深拖系统最佳缆长的确定提供了理论依据。     

波浪式拖管法铺设海底管道力学性能研究

海底管道铺设是海洋油气资源开发的重要环节,传统的拖管法不能很好地适应海洋深度和复杂环境的变化。针对 Acergy公司在Girassol项目中提出的一种波浪式拖管方法,对其应用于2.0 km 长海底管道铺设进行分析。首先,结合深水海洋环境特征,采用集中质量法建立管道拖航数值模型,并介绍管道、拖缆和浮筒力学计算及水动力荷载计算方法;其次,基于非线性有限元OrcaFlex软件对拖管过程建模,以模拟实际项目拖管过程;然后,通过对比相同条件下的单波式和双波式两种拖管方式,探讨管道和拖缆的动态力学性能变化;最后,针对不同浮重比、拖航速度、拖缆长度和悬垂角、海流流速和流向角等因素展开敏感性分析。结果表明：波浪式拖管法可以有效地降低施工时对拖缆的张力需求,但也会因此增加管道局部弯矩和应力响应;相对于单波式拖管,双波式拖管在缓解由于拖航速度等变化而产生的管道局部损伤效应上更有优势,并能较好地适应不同水深环境;复杂的海流工况对拖航时管道的力学性能影响十分显著,施工前应选择合适的铺设窗口期以防止管道产生损伤。     

深海平台系缆形状和张力分析

考虑海底地形的变化、系缆的拉伸形变及海流力等因素,研究了深海平台系缆形状和张力分析方法采用集中质量法,得到系缆方程组,采用牛顿法求解该非线性系缆方程组,建立系缆形状和张力的计算方法。计算了平坦海底和海底地形凹凸变化时水深1 018 m情况下的系缆形状、系泊张力和浮体平衡位置。计算结果表明,海底地形对于深海系泊系统张力影响较大,而计算系缆形状和张力、系泊浮体的运动时,需要考虑海底地形的影响。     

Numerical Simulation of Multi-Directional Random Seas

Multi-directional irregular waves are simulated on the basis of the given directional spectrum using a double summation model, a single direction per frequency model and a single summation model. Their results are compared. It is shown that the single direction per frequency model proposed in this paper can generate a realistic wave field. The effects of the model parameters on the simulated results are also studied in this paper and corresponding suggestions are given.     

台风海况下半潜式钻井平台动力性能监测与分析

半潜式钻井平台在海洋油气资源开发中发挥着重要作用,目前主要采用模型试验和数值模拟方法对其动力性能进行研究,非常缺乏台风等极端海况下半潜式平台动力响应的实海域监测数据。以某半潜式钻井平台为研究对象,构建了一套比较完善的平台动力性能监测系统,并对台风“杜苏芮”过境阶段的监测数据进行了分析。根据平台艏部气隙及运动监测数据推算了平台吃水及环境波高;采用随机波浪的统计分析方法,计算得到短期海况的有效波高、谱峰周期、能量谱等信息,通过与多种典型海浪谱对比发现Jonswap谱与所测波谱吻合较好;对平台的横摇、纵摇及垂荡运动进行了时域统计分析和频域谱分析,得到了台风海况下被测平台波频运动的实际响应特征,对于指导平台抗台作业具有重要意义。     

脐带缆在潜器下放过程中的运动建模与仿真

潜器在下放布置过程中需要考虑变长度的脐带缆对其运动的影响,在考虑流的情况下,对脐带缆的有限差分模型进行了改进,并采用最小二乘方法求解由时间和空间上的中心差分格式离散后的非线性方程组。为了验证模型改进的有效性,将潜器在均匀定常流中水平匀速直航时的数值解与该特殊情况下的解析解进行比较,两组解的吻合不仅证实了模型改进的有效性,而且表明上述数值计算方法是可靠且有效的。在潜器下放布置运动给定的情况下,脐带缆的运动仿真结果表明,潜器姿态角的调整会对拖曳点处的缆绳张力大小和变化趋势产生显著的影响,流在改变缆绳空间形状的同时引起了缆绳对潜器作用力和力矩的非线性和时变性,脐带缆总是阻止潜器自身动力对运动速度和姿态角的改变,且对纵荡运动的影响最大。     

基于海图数据的水下岸坡插值精度分析对比研究

数字高程模型是研究水下岸坡冲淤变化的一种重要手段。不同的插值方法和像元大小都会对数字高程模型的精度产生影响,从而导致冲淤分析结果的变化。本研究使用了六种常用的插值方法 (ANUDEM、反距离函数法、克里金法、自然邻域法、样条函数法、不规则三角网转栅格法)对莱州湾和烟台港不同年份和尺度的水深数据进行了插值,计算了均方根预测误差、源数据残差均方根误差、残差均值、残差最大值和残差最小值等精度计算指标。结果表明ANUDEM和自然邻域法的均方根预测误差和源数据残差均方根误差均小于1 m。ANUDEM和自然邻域法对不同尺度的水下岸坡数据插值有着较好的适用性。