海洋内孤立波中顶张力立管的动力响应研究

基于商业软件Fluent,建立大振幅海洋内孤立波数值水槽,获取内孤立波波致水平流速和水平加速度沿垂向的分布,结合改进的Morison公式,计算内孤立波对立管的作用,采用有限单元法在时域中对内孤立波作用下顶张力立管的动力响应进行数值模拟,并就顶张力大小、内流密度、内孤立波振幅对立管动力响应的影响进行探讨。结果表明,内孤立波对顶张力立管产生强剪切作用,使立管发生较大变形,产生较高应力,并在波谷到达时刻出现最大位移和应力,立管上层流体部分的位移和应力明显大于下层流体部分的位移和应力。     

内孤立波作用下顶部张紧式立管动力特性

基于内孤立波mKdV理论,采用考虑内流的细长杆动力学方程,结合改进的Morison公式,研究两层流体中内孤立波与顶张立管的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析在该内孤立波作用下某顶张立管的内孤立波载荷与运动响应,以及立管横截面弯矩及其应力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对顶张立管产生突发性的冲击载荷以及大幅度水平变形,而且还会使其横截面弯矩及其应力显著增大。因此在深海立管的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

内孤立波作用下柔性跨接管动力性能研究

活跃在中国南海的内孤立波已经成为该地区海洋油气资源开发中不得不考虑的因素。跨接管作为连接水下油气储存开采设施与海面油气处理设施的重要装置,由于具有较大柔性,由内孤立波引起的剪切海流将会对其产生巨大影响。采用KdV方程对内孤立波进行模拟,基于向量式有限元法,建立了柔性跨接管的动力学分析模型,对不同方向内孤立波作用下的跨接管的动力性能进行分析。分析结果表明在内孤立波作用下,跨接管存在一个明显的动力过程,能够导致跨接管产生较大的位置移动及其整体位置的抬升,同时跨接管对于内孤立波的入射角十分敏感,其内力可能发生突然变化。内孤立波的振幅对跨接管的极值响应有显著影响。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

考虑温度应力下深海输油立管动力特性及响应研究

考虑深海输油立管管内外温差产生的温度应力以及管内流体流动和管外海洋环境荷载的共同作用,建立了深海输油立管振动微分方程,采用有限元法对输油立管动力特性及动力响应进行求解,并将考虑温度应力及不考虑温度应力的立管动力特性及在波浪作用下的立管动力响应进行了对比。结果表明,对于动力特性,温度应力的存在会使得立管自振频率降低;对于动力响应,会使得波浪作用下动力响应幅值增强而频率略有降低,易引起立管的疲劳破坏。     

内孤立波作用下Spar平台动力响应特性

以三类内孤立波理论(Kd V、e Kd V和MCC)的适用性条件为依据,采用Morison和傅汝德-克雷洛夫公式分别计算Spar平台内孤立波水平力和垂向力,结合时域有限位移运动方程,建立了有限深两层流体中内孤立波与带分段式系泊索Spar平台相互作用的理论模型。以东沙群岛某海域实测内孤立波为对象,数值分析了在内孤立波作用下某经典式Spar平台的内孤立波动态载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对Spar平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度水平漂移运动,而且还会使其系泊张力显著增大。因此,在Spar平台等深海平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

内孤立波中半潜平台动力响应特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式,研究了两层流体中内孤立波与带分段式悬链系泊约束半潜平台的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析了在该内孤立波作用下SEDCO-700型半潜平台的内孤立波载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对半潜平台产生突发性冲击载荷作用,使其产生大幅度水平漂移运动,并导致其系泊张力显著增大,因此在半潜平台等深海平台的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

深海钢悬链立管触地点动力响应分析

研究深海钢悬链立管(SCR)在海洋环境载荷作用下的动力响应.利用非线性弹簧模拟立管与海床触地点的耦合模型,通过模态分析得到钢悬链立管的动力特性参数;时域动力响应分析获得不同工况下触地点及典型部位的位移、弯矩和应力时程.比较分析表明:浮体垂荡运动对触地点的应力状态影响较大,触地点附近存在钢悬链立管动力响应过程中的位移极值点和弯矩极值点.所提方法为触地点区域模拟分析提供了新思路,给出的分析结论对钢悬链立管设计有一定借鉴意义.     

陆架斜坡对内孤立波的动力响应特性试验研究

针对内孤立波在行进过程中遇到海底斜坡会对海底产生力的作用,不同坡度斜坡对内孤立波的动力响应应该存在差异.本文通过水槽中制造内波,对不同角度的斜坡对内孤立波的动力响应过程进行了研究.结果表明,内孤立波通过陆架斜坡上方,会造成斜坡沉积物超孔隙水压力的积累;在相同振幅条件下,缓坡沉积物动力响应的幅度比陡坡沉积物大;随着振幅的...     

内孤立波与Spar型浮式风机平台耦合作用研究

针对内孤立波与系泊浮式平台的耦合作用问题,本文以单立柱Spar型浮式风机平台为研究对象,研究了平台在内孤立波作用下的耦合运动特性。利用重叠网格技术及自编耦合动力程序,以计算流体动力学求解Navier-Stokes流体控制方程,建立了Spar型浮式风机平台与内孤立波(Internal solitary waves, ISWs)流固耦合作用数值模型。通过系列数值模拟,研究了Spar型浮式风机平台在内孤立波作用下的水平动态载荷和纵荡、横荡规律。研究表明,内孤立波对Spar平台会产生较显著的水平作用力,并产生大幅的水平位移;在水深一定时,同一流体分层比下,随着内孤立波振幅提高,纵荡运动幅值增大;当振幅一定时,随着流体分层比的增大,纵荡幅值减小;通过调整系泊系统,发现非线性系泊系统下平台纵荡幅值要大于线性系泊系统下的情况,即线性系泊系统会低估纵荡运动幅值。     

两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟

提出基于双推板的内孤立波数值造波方法,对两层流体中内孤立波与潜体的相互作用进行了数值模拟,分析不同潜深下潜体所受的内孤立波载荷特性.结果表明,内孤立波对水下潜体的载荷作用是不可忽视的.特别地,当潜体位于内孤立波中时,其所受的垂向力要远比潜体位于内孤立波下时的大.     

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

Comparisons of internal solitary wave and surface wave actions on marine structures and their responses

In this paper, a time-domain numerical model is established for computing the action of internal solitary wave on marine structures and structure motion responses. For a cylindrical structure, its side and bottom are discretized by pole and surface elements, respectively. The drag and inertial forces in the perpendicular direction of the structure are computed by the Morison equation from the pole elements, and the Froude–Krylov force in the axial direction of the structure due to internal wave motion is computed by integration of the dynamic pressure over the surface elements. The catenary theory is used to analyze the reaction force due to mooring lines, and the motion equation of the marine structure is solved by the fourth-order Runge–Kutta method in the time domain. The model is used to calculate the interaction of the internal solitary wave with a Spar platform with mooring system, and the surface wave action with the platform has also been computed by a frequency-domain boundary element method for comparison. Through the comparison based on a practical internal wave and surface wave states, it can be concluded that the internal wave force on the structure is only 9% of the one due to surface waves. However, the motion response due to the internal wave is much greater than the one due to the surface waves. It shows that the low-frequency effect of internal solitary waves is a great threat to the safety of marine structures.     

两相流模型在南海内孤立波与沙波相互作用中的应用

为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m³的悬沙浓度。     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程,并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料,模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征,同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征,即两波相交处相速随振幅的增大而变大。相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势。     

南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究

应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源.     

南海北部陆坡海区春末第一模态内孤立波观测及特征分析

为获取南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的动力结构及时间变化特征,本文利用该海区1套内孤立波浮标观测数据,对陆坡海区的内孤立波现场观测数据分析,识别判定了2021年5月5日至6月3日共30 d的179次第1模态内孤立波过程,并进行了内孤立波的特征分析。南海北部陆坡海区第1模态内孤立波剖面流场为双层结构,上层主要为西偏北向流动,下层流向与之相背,流速转向发生在100～150 m深度处。内孤立波期间,最大流速多发生于上层,流速为60～120 cm/s,底层流增强,上层流与下层流流向相反。受内潮影响,研究区域内孤立波存在半日和全日2个周期,主要以20～30 min间隔的波列形式向西偏北方向传播。本文关于南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的分析研究有助于提升对该海区内孤立波时空变化特征的认识,为工程水下施工提供参考和依据。