风和流作用下单链式系泊养殖工船“鱼尾运动”研究

单点系泊船舶在受到风、流等外力作用下通常会产生大幅周期性艏摇运动，称为“鱼尾运动”。剧烈的鱼尾运动可能会导致系泊系统的锚链承受过大的张力从而遭到破坏。为了充分认识单点系泊状态下养殖工船的鱼尾运动，针对一艘十万吨级单链式系泊养殖工船进行了数值分析及模型试验研究。首先，通过风洞模型试验测得养殖工船的风、流载荷系数，以此作为输入对风、流联合作用下养殖工船的动力响应进行了数值模拟分析；同时，开展水池模型试验验证了数值计算结果的准确性和可靠性；最后，通过数值计算研究了不同风速和流速下单链式系泊养殖工船鱼尾运动的特性和规律，为实际工程设计提供一定的参考。     

水深对软刚臂单点系泊FPSO动力响应的影响

系泊系统的定位能力是浅水油田作业的软刚臂式单点系泊FPSO安全作业的重要保障,为研究不同水深/吃水比下单点系泊系统的受力性能,针对一艘16万吨级软刚臂单点系泊FPSO,在线性三维势流理论的基础上,基于多体动力学方法,建立FPSO-系泊腿-软刚臂的耦合模型,采用Newman近似法和Pinkster近似法分析了FPSO所受二阶波浪力,在时域内计算了不同水深/吃水比对系泊系统动力响应性能的影响。结果表明,随着水深/吃水比的增加,Newman近似法计算得到二阶波浪力先增大后减小,引起单点系泊系统载荷先增大后减小;而Pinkster近似法计算得到的二阶波浪力逐渐减下,引起单点载荷逐渐减下。在浅水条件下,Pinkster近似法具有较好的适用性,Newman近似法严重低估了FPSO所受的二阶波浪力;在深水条件下,Newman近似法能满足工程计算的要求;适用两种方法的临界水深/吃水比为1.64。     

基于CFD模拟的单点系泊船型网箱浮架结构分析与设计

针对单点系泊(SPM)网箱系泊力大于传统网箱,离岸环境承受风浪时风险更高的问题,研究设计了一种相较传统圆形网箱拥有更小系泊力的船型网箱,运用正交原理制定了三因素三水平的试验方案,对网箱浮架进行了计算机数值模拟,分析网箱在波流共同作用下的水动力特性变化。研究表明,在兼顾经济成本与网箱安全性的条件下,长24 m,宽9 m,头部角度为60°的网箱浮架具有较优良的水动力性能和相对较低的养殖成本。该网箱系统能随着潮流改变方向而在锚点周围移动,从而极大减小网箱底部的养殖残渣堆积并降低锚固安装成本,可为我国深水网箱的发展提供一定的理论参考依据。     

基于多体分析的浅水FPSO和水下软钢臂系泊系统运动特性研究

基于多体动力分析方法进行FPSO和水下软钢臂系泊系统的运动特性研究。相较于非线性弹簧模拟软钢臂系泊系统或者其他近似模拟方法,多体分析方法可以充分考虑系泊系统具体结构形式及其动力项对FPSO运动性能的影响,更好的预报系统运动响应和系泊力。本文将FPSO和水下钢臂结构模拟成2个具有6自由度的独立结构,两者用系泊链组进行连接。基于三维势流理论应用汇源分布法,首先在频域内进行FPSO的水动力参数分析,进而在时域内对系统进行耦合动力分析。本文重点讨论系泊系统黏性力和二阶波浪力对系统响应的影响,计算结果发现系泊系统黏性力对系泊力有一定影响,而在浅水条件下二阶波浪力的计算对准确预报系统运动及系泊力非常重要。     

转塔位置对FPSO水动力性能的影响

转塔位置是内转塔式FPSO设计中的重要参数,对风标效应以及运动和系泊力等有重要影响.采用时域分析方法分别计算了10万吨级FPSO在不同转塔位置时百年一遇风、浪、流海洋环境条件作用下的运动响应和系泊力,分析了不同转塔位置对FPSO水动力性能的影响.计算结果与模型实验进行了比较,结果表明,转塔位置的变化对FPSO风标效应、转塔系泊力等影响显著.分析结果对于选择理想的转塔位置具有一定的实际意义.     

碎冰条件下单点系泊船舶动态响应特性研究

为了研究不同单点系泊位置对极地系泊船舶在来冰角度改变时动态响应的影响,运用离散元方法(DEM),计算了船舶在60%密集度下,冰速为1.0 m/s、冰厚为1 m时不同角度的船冰阻力,结合系泊分析软件二次开发功能,计算分析系泊船舶在不同来冰角度和不同系泊位置下受上述冰情影响下的响应。通过对模拟结果与试验结果的对比,认为离散元方法(DEM)的数值模拟结果与试验结果吻合较好;单点系泊位置为距船头L/4时,系泊船舶能以最快速、最稳定的方式对来冰方向的变化做出响应。     

MOSES软件在系泊浮体运动计算中的应用研究

采用MOSES软件计算某起重船迎浪下的水动力性能和运动响应,并对该船进行缩尺比为1:50的模型试验。通过软件计算结果和试验结果的对比,分析计算模型的网格划分、二阶波浪力计算方法和粘性阻尼等关键参数的选取对MOSES计算系泊浮体运动的影响,为MOSES软件在系泊下运动计算方面提出建议。     

规则波作用下四锚浮标系统动力分析

随着水深的增加,海洋浮标系泊缆索的长度也增加,对其浮标系泊系统进行动力分析是非常重要的.基于势流理论,应用边界元方法在频域内计算浮标的附加质量和阻尼、一阶波浪力和二阶平均漂移力,通过快速傅里叶变换将计算结果转换到时域,应用莫里森公式计算浮标及其skirt的粘性阻尼力,应用非线性有限元方法计算系泊缆索张力,最后在时域内应用四阶Runge- Kutta法计算浮标的运动响应和系泊缆索张力.比较分析了两种水深条件下,不同skirt直径和缆索长度情况下浮标的水动力特性、运动响应和系泊缆索张力.计算结果表明,浮标skirt的存在对纵荡方向的附加质量和辐射阻尼基本没有影响,而垂荡方向的附加质量增加,辐射阻尼减小,且能够减小二阶平均波浪力的峰值.     

规则波中铰接塔-油轮系统的动力响应分析

论文研究铰接系泊塔-油轮系统波流联合作用下的动力响应。考虑铰接塔-油轮单点系泊系统系缆刚度的非线性,将尼龙系缆处理为分段非线性刚度模型,采用M orison公式计算铰接塔的波浪载荷,采用线性波浪绕射理论计算波浪对油轮的作用,建立了两自由度耦合的分段非线性运动微分方程。计算了高177 m的铰接系泊塔和93 500 t油轮构成的FPSO系统的耦合动力响应,并讨论了系统运动对于系缆张力的影响。     

防风单点系泊系统系泊力试验研究

通过物理模型试验,得到了3种船型在不同工况组合下的偏荡幅度、偏荡周期以及系泊力实测数据。试验得出了船舶在台风与波、浪、流共同作用下,单点系泊力的主要影响因素为风速、流速、波浪、船舶种类、水线上下侧投影面积比和系泊系统的刚性。选出了本文理论意义明确合理的适合单点系泊系统使用的防风系泊力表达形式,即奎因公式。采用系泊力试验数据在奎因公式的基础上导出的防风系泊系统系泊力计算公式,并给出了公式中的重要参数表达式。     

系泊模式对深水Spar平台运动性能的影响

在频域和时域内研究对等分布式系泊和分组式系泊2种系泊模式对Spar平台运动性能的影响,并分析单根系泊缆破断失效后平台运动性能的变化。首先建立Spar平台的三维水动力模型,通过在平台柱体导缆孔处指定预张力、倾角和刚度来模拟系泊系统的影响;然后采用三维势流理论进行浮体水动力计算,获得Spar平台运动响应的传递函数等水动力参数;最后根据实际海况资料,在平台生存工况下,进行Spar平台在完好系泊和单根系泊缆破断失效状态下运动响应的短期预报,并在时域内进行耦合分析,研究平台运动响应和系泊缆张力变化情况。研究结果对Spar平台系泊系统设计和平台设计前期运动性能研究有参考意义。     

单点系泊网衣构件波浪试验研究

采用四种网箱系泊方法,设计单点系泊网衣构件水槽波浪试验。试验构件由六种网衣和框架装配而成,试验工况是规则波,周期为0．7—2．0s,波高为50—250mm。构件在水槽中作来回周期性直线运动,当试验波浪周期较小时,构件的来回运动不明显,主要以波浪运动为主,水动力峰值大体上呈周期性均匀变化;而当周期较长、波高较高时,构件在水动力的作用下产生了与波向相反的长周期漂移运动,有较大振幅的位移、速度和加速度,诱发了水动力的最大值,水动力变化呈现峰值短周期不均匀变化、最大值长周期变化和零拉力周期变化的规律。试验结果显示,与波高参数类似,随着网衣特性系数d／a的增大,网衣构件的水动力也增大,而水动力最大值长周期、零拉力周期变化规律分别是减短和增长的。在周期1．21、1．41、1．61、1．82s情况下,网衣C构件单点系泊试验水动力最大值是固定系泊计算水动力最大值平均的1．706、1．826、2．125、2．236倍,最大达3．61倍,表明单点系泊在波浪条件下构件水动力有较大的增加。     

LNG-FSRU在软刚臂系泊下水动力特性研究

针对35万立方米超大型LNG-FSRU,采用软刚臂单点系泊系统定位方式,运用模型试验与数值计算两种技术手段开展风、浪、流联合作用下水动力研究。软刚臂系泊系统各构件间的连接方式及Yoke重量模拟是数值计算与模型试验的关键,数值计算对构件间的铰接方式与Yoke重量进行模拟,模型试验同样模拟了系泊系统的相似性,并将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明,软刚臂系泊系统刚度曲线呈非线性,试验结果与数值结果吻合良好,表明对于软刚臂系泊系统的两种模拟是合理的,反映了LNG-FSRU在风、浪、流联合作用下的运动特性,建立的研究方法可用于软刚臂系统的水动力研究。     

筏式海水养殖设施在波浪作用下的水弹性分析

由于台风等恶劣海洋条件的影响,海上浮筏式养殖结构极易遭受破坏。浮筏式海水养殖结构系统由多个浮子、连接走板和系泊缆组成。文中研究了不同走板材料对浮筏结构在波浪中动力响应的影响。通过基于势流理论的软件WAMIT计算获得了浮子的附加质量系数。利用海洋工程软件OrcaFlex计算模拟了浮筏结构在波浪中的时历响应,并分析比较了采用不同走板材料的浮筏结构在海浪中的水弹性差异。研究结果表明,木制浮筏相对新型高密度聚乙烯（high density polyethylene,简称HDPE）材料在波浪中受到的弯矩更大,可能更容易受到破坏。另外,对比分析了直接计算的结构最大响应和基于瑞利分布预测的最大响应值（MPM）,结果表明结构最大垂向运动基本符合瑞利分布,而水平运动最大值由于受系泊系统非线性影响,与瑞利分布有一定差异。     

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核.考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性.结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升.波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大.垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区.此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大.     

单锚腿系泊系统动力响应的时域计算方法

在时域内建立了单锚腿系泊系统在风、浪、流联合作用下动力响应的计算方法。在分析波浪荷载时，使用了设计波法和非线性Stokes五阶波，并由经验公式求出了船舶的风、流荷载作用力。系统的动力初始条件由准静态方法求得。由静态方法得到系泊力后，使用了四阶Runge-Kutta方法求解船舶的运动时历，并作为立管和浮筒动力计算的边界条件。由二维梁柱单元和集中质量法构建了立管和浮简的数学模型，立管的运动方程用Wilson-θ法求解。模拟计算结果和试验结果进行了比较，吻合得较好,表明本方法能够用于计算单锚腿系泊系统的动力响应。     

浅水自调节外转塔单点系泊研究

针对渤海浅水边际油田的开采,提出了一种自调节外转塔单点系泊方式。此方案可根据水深调节锚链和配重分布,结合了单点系泊和多点系泊的优点,首部设置外转塔,海底用分布式锚链系泊,提高了系统运动的弹性空间。对该设计进行了理论分析、数值计算和模型试验。结果显示,数值计算和模型试验数据接近,系泊力和纵荡的最大误差分别为4.5%和7.05%,说明方案设计的计算依据合理。试验数据表明,系泊力和水平运动幅度较小,值得进一步研究或向工程推广。     

新型网箱浮架系统水动力分析及系泊方式研究

设计了一种新型网箱浮架系统,利用SESAM对其进行了频域水动力分析以及考虑不规则波浪、风、流载荷和系泊共同作用的时域耦合分析,并与传统双浮管网箱浮架系统进行了分析对比,得到方形网箱与圆形网箱的水动力特性的差异以及各自的优缺点,对实际中网箱的开发设计有一定的借鉴意义;通过计算,证明新型网箱浮架系统在工作海况能正常工作,在极端海况下也能满足安全性的要求;最后对4种常见系泊方式进行了时域耦合分析,得到了四种系泊方式的系泊特性,对实际工程中系泊方式的选择有一定的参考意义。     

首尾两点系泊系统设计及水动力性能分析

海上油轮在服役过程中受到随机风浪荷载和随机海流的共同作用,因此其系泊系统的合理设计对于实现其正常功能有着重要作用。本文以某油田开发工程为例,采用AQWA计算软件,对一艘首尾系泊的油轮进行了水动力性能分析。考虑了系泊缆的水动力特性以及系泊系统与油轮之间的耦合影响,研究了不同方向的风、浪、流等环境荷载对两点系泊系统动力响应的影响,为首尾两点系泊系统的设计应用提供了一定的参考。     

三种浮绳式框架养殖围网系泊缆绳和框架纲张力试验研究

浅海围网养殖是一种全新的海水生态养殖方式,敷设在开放性海域,承受风、浪和流的作用,产生复杂的水动力。本文根据养殖围网海上实际敷设情况和水文条件,基于松田皎模型准则设计制作了长方体、圆柱体和球体3种不同浮筒形状的浮绳式柔性框架养殖围网模型。在循环动水槽中采用预加张力的系泊方法测试了不同流速和系泊角度下围网框架纲和系泊缆绳的张力特征变化。研究结果显示:流速与张力的关联度大于系泊角度与张力的关联度;流速小于35cm/s时,系泊缆绳的张力变化较平稳;系泊角度在63°和74°之间时,系泊缆绳和框架纲张力的变化较平稳,且当系泊角度为71°时,张力相对较小;相比其他2种浮筒类型围网,长方体浮筒浮绳式框架养殖围网的系泊缆绳和框架纲张力的变化相对较平稳。