深海潜标姿态的动力学仿真分析与验证及沉降原因探究

论文结合中国科学院海洋研究所2017年至2018年在西太平洋布放的一套6000m深自容式锚泊潜标系统,利用其温、深、盐及海流数据,参考卫星观测的海面资料,依据潜标结构组成,创新性地选用多体动力学软件ADAMS建立柔性缆体有限元模型,进行复原式姿态模拟,对此潜标异常沉降情况进行原因探究,提出减小因潜标大深度沉降导致影响的方法。本文所提出的柔性体模型,可依据海流参数变化改变有限元长度,自定义流阻状态,已被证明在较小海流和海流异常大两种分布模型的拟下,计算机有限元模型分析所得绝对沉降误差达缆绳总长0.18%和0.41%。通过计算机模型依据实际情况的模拟结果,最终印证异常沉降值的形成原因：（1）在系泊结构既定且安全布放的前提下,其沉降异常值的出现只能与其当日所处环境的海流分布状态相关。模型锚泊最大受力8621N,合理选择布放地点、潜标材料可降低系泊损坏风险;（2）若大洋中尺度涡形成和临近导致流速激增,其对整个系统的作用将决定锚系系统布放期间异常沉降深度,由于中尺度涡的形成与迁移具有可预报性,结合系泊深度和位置的及时调整可减小超深度沉降所导致的影响。     

国产深海准实时传输潜标系统设计

基于海洋环境安全保障、海洋环境预报和海洋科学研究的需要,开展国产深海准实时传输潜标系统的设计,重点进行锚泊系统水动力分析、观测设备工作同步性、准实时通讯系统安全可靠和系统低功耗等整体技术设计;开展轻型感应耦合传输缆制作、大深度感应耦合传输和智能收放通讯等数据实时通讯技术的研究;进行适用于准实时传输潜标系统的多种类国产设备的稳定性和可靠性优化、规模化集成和系统化的应用示范,形成半潜升降式准实时通讯潜标与浮子式准实时通讯潜标各1套。所设计的准实时传输潜标系统集成了1台抗污染CTD、19台感应耦合CTD、8台感应耦合T、4台感应耦合传输的ADCP、2台单点海流计和6台感应耦合数据传输仪,并配有2套声学释放器;潜标系统本体设计含有3个水下流线型浮体、1套通讯浮子、1套准实时卫星通讯装置(半潜式水下绞车或海面浮子)和1套锚泊缆系,可实现深达2000mm的剖面温盐深和海流等海洋要素的高频率、多要素、多层次的长期连续观测和数据准实时传输,以便对科学问题解决和海洋环境安全保障等提供及时的数据支撑。     

单点系泊潜标系统动力学建模与姿态分析

通过对单点系泊潜标进行动力学分析,利用集中质量法建立系统的动力学模型,编制Matlab仿真程序,通过数值模拟获取不同海流条件下,分析潜标系统的姿态。文中将一个典型潜标系统的浮球、锚链、重力锚等部件,利用集中质量法简化为节点,通过模拟真实环境中的海流流速在垂直方向的分布,设计1～5 m/s的流速剖面分布。将节点的物理参数和海流参数代入仿真程序中,得到各节点的姿态、节点间张力以及重力锚与海底摩擦力等数据。分析仿真结果,海流流速与节点的偏降、节点间的张力以及重力锚与海底的摩擦力成正比,仿真结果与实际情况相符。文中设计的建模方法和仿真程序可以为单点系泊潜标的总体设计、姿态估算、锚系配置提供工程参考。     

潜标系统静态力学分析计算及其应用程序开发

通过对单点系留式的潜标系统静力学分析和姿态计算,研究开发了一个不同水深、海流等环境下的计算分析潜标系统姿态的程序,然后对潜标系统进行求解,获得更加合理的锚系结构,达到锚系在工作水深的最佳姿态,确保了潜标系统工作安全,从而获得更加准确的数据情况。     

实时传输潜标系统

实时传输潜标是集多学科的海洋调查测量高新技术设备,能长期、隐蔽地对海洋动力参数和环境要素进行实时立体综合监测。实时传输潜标系统由流线型主浮体系统、多套水面卫星通信浮标系统、锚泊系留回收系统、控制中心及岸站接收系统等组成,最大     

南海深海潮流分析

本文使用磁录海流计在千米潜标系统南海试验期间获取的深海海流资料,对该海域深层海流进行了初步分析,提出了潮流和余流的运动规律。     

海流作用下潜标-系留系统耦合动力响应试验研究

针对海流作用下,某潜标系统动力响应过大导致所载测试装置无法进行正常工作的问题,在分析该潜标系统所载装置前期海试数据基础上,采用现场测试和深水水池试验等方法,对现有潜标-系留系统耦合动力特性及系统的减振优化进行研究,得到了海流作用下,潜标系统耦合动力特性,提出了减振优化措施。     

深海剖面测流潜标系统设计及姿态分析

结合深海海流剖面测量实际应用,介绍了潜标系统的设计中须注意的几个问题。针对绳索和不同形状的潜标系统测量单元,给出了静力计算和姿态分析的步骤与方法。根据测量要求,在假定的海流剖面环境下,计算了各潜标单元在海水中的位置、倾斜以及潜标系统的浮力配置和锚块配重。该方法对于潜标设计具有实际参考意义。     

硬悬挂钻井隔水管涡激振动特性研究

针对深水钻井过程中遭遇强台风,基于安全性考虑要求钻井平台悬挂隔水管提前撤离的问题,采用软件SHEAR7针对HYSY981钻井平台硬悬挂隔水管系统避台风撤离作业过程中,受南海一年一遇海流作用时诱发涡激振动(VIV)的情况,研究航速与悬挂长度对VIV特性的影响。研究表明,浮力块覆盖率越高,隔水管系统张力越小;浮力块分布对隔水管系统VIV响应影响较大,25%交错布置方案VIV响应最弱。隔水管并非越短越好,要综合考虑洋流剖面、隔水管配置和平台航行的影响;在不同悬挂长度及航行条件下的VIV响应,在撤离作业前应尽量避免在高流速区布置浮力单根,撤离作业时应尽量采用顺流而避免平台逆流航向。     

深海锚系潜标ADCP数据处理的质量控制研究

基于2017年4月至2018年8月西太平洋深海潜标观测数据,本文开展了锚系式声学多普勒流速剖面仪数据处理的质量控制研究工作。本文总结了质量控制的基本方法,重点解决了ADCP在流速观测中普遍存在的条带状异常问题。研究结果表明,质量控制常用的良好率与姿态(横摇、纵摇)并不能有效去除异常数据。本文进一步通过流速误差与相关幅值对数据进行质量控制,发现可以有效地去除条带状的异常数据,显著地提高了数据质量水平。因此,该工作对开展海流的结构特征、变异规律和动力机制等研究工作有重要的意义。     

新型激光雷达浮标运动响应特性数值研究

以新型激光雷达浮标系统为研究对象,基于ANSYS/AQWA开展了激光雷达浮标系统运动响应特性数值研究,研究了浮标吃水深度、形状参数对于激光雷达浮标运动响应的影响规律,分析了附加质量、辐射阻尼、运动响应RAO及一阶、二阶波浪力等水动力参数。采用时域分析方法对不同风浪流荷载入射角度下的激光雷达浮标锚泊系统张力特性进行了计算分析。研究结果表明:随着浮标吃水深度的增加,浮标纵荡方向响应无明显变化,垂荡响应显著增大;随着浮标底部圆台直径的增大,浮标纵荡方向响应变化较小,而圆柱形浮标垂荡运动响应显著大于圆台形浮标;当浮标系泊锚链发生松弛—张紧状态变化时易出现极端张力,且极端张力出现的幅值和频率随有效波高的增大和谱峰周期的减小而增大。     

自由投放式声学多普勒海流剖面观测及数据处理

自由投放式声学多普勒海流剖面（FADCP）观测以“自由落体”方式进行采样,其不依赖于测船钢缆牵引即可对全深度海流进行观测,观测稳定性较下放式声学多普勒海流剖面（LADCP）大幅提升,有效减少了观测值之中的不规则运动。2021年4月与9月在南海西沙海域开展的FADCP观测实验获得了两个断面包含16个站的海流及CTD资料。基于静置期间的真实底流观测,各站全深度的海流剖面采用剪切法获得,潜标附近站位剖面与潜标观测剖面相比,平均流速偏差为3 cm/s。观测断面捕捉到了西沙海域两个时期的气旋涡,其垂直结构比HYCOM模拟更精细,表层流与绝对地转流契合。研究表明,FADCP对测船要求低、数据质量高,其后处理简便且结果良好,但无法对特定水层实施补充观测。     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

深水悬链锚泊线粘性阻尼计算

深水悬链锚泊线既为上部浮体运动提供恢复力,同时也提供阻尼力,其中阻尼力主要是由于上部浮体运动牵动悬链锚泊线局部振动和整体运动耗散能量而形成的拖曳粘性阻尼力.利用单根锚泊线由于上部浮体运动而吸收的能量来计算锚泊线的拖曳粘性阻尼.锚泊线和海床之间的接触作用基于刚性海床假定,利用Morrison公式计算锚泊线的惯性力和拖曳力荷载.用有限元方法进行非线性时域动力分析,分别计算静水条件和考虑流速分布两种工况下,上部浮体发生慢漂运动、波频运动以及两者组合运动时的锚泊线动力响应,比较不同工况下锚泊线的最大张力和粘性阻尼.     

立管对深水半潜式生产平台定位性能影响研究

基于三维频域势流理论,计算船体的水动力参数;采用动态耦合方法分析了深海半潜式生产平台各系统之间的相互作用特征,研究了立管系统对锚泊系统定位能力的影响。计算结果表明,立管系统在一定程度上增加了整个系统的刚度,其所受的附加质量和阻尼可降低平台的低频响应,从而降低平台的偏移和系泊缆的张力;海流将增大立管上的拖曳力,使平台偏移更远,锚索上的张力更大;立管系统对锚泊系统定位性能的最终影响需综合考虑多种因素的叠加。对目标平台而言,由于服役海域的流速较大,对立管的拖曳作用较为明显。因此,为确保平台的安全性,当服役海域流速较大时,带有多立管的平台,其锚泊系统的设计应考虑立管的影响。     

应用潜标测流系统对中国南海深海区海流的测量

一、概述由国家海洋局海洋技术研究所研制的千米潜标测流系统,于1986年4月28日在中国南海的千米深海区进行了投放,该系统在水下工作80多天,于1986年7月19日成功的进行了回收,顺利的收回了海流计、释放器、浮子等部件。海流计回收后取出磁带,进行回放和数据处理。这次利用潜标测流取得了很有规律性数据,这份长期的、连续的、深海的(近1000米)海流资料,这在国内还是第一次,对研究海洋,开发海洋提供了很有价值的资料。     

悬跨海底电缆涡激振动特性及疲劳损伤分析

悬跨海底电缆作为细长柔性结构,在静力平衡状态下具有一定的垂度,在水流作用下的涡激振动特性与海底管线和海洋立管等结构也有很大的不同,其振动模态受垂跨比影响很大。通过物理模型试验开展了不同垂跨比下悬跨海缆的涡激振动和疲劳损伤特性研究。试验模型按照水弹性相似准则设计,试验中测量了不同流速下海缆模型产生涡激振动时的应变历时数据,采用模态分析法获得了模型涡激振动时的振动模态和振幅。分析了不同流速下海缆模型的振动模态、应变和疲劳损伤的变化和分布特征。试验结果表明：垂跨比显著影响了海缆的涡激振动模态和应变幅值大小。在本试验流速范围内,对一定长度的悬跨海缆模型,当垂跨比较大时,随着流速的增大,模型涡激振动的主响应振动依次出现反对称1阶和对称1阶模态;当垂跨比较小时,模型涡激振动的主响应模态依次出现反对称1阶和对称2阶模态。当涡激振动主响应模态为反对称1阶时,疲劳损伤最大值达到0. 1~0.7。     

波流作用下悬浮隧道运动响应纵向截断模型试验研究

利用波流水槽构建悬浮隧道纵向截断模型试验,分析了水流及波浪作用对悬浮隧道运动响应的影响,获得了管体结构的垂向及横向运动响应特性。研究结果表明:水流流速较小时,模型振幅随约化流速Vr增大而增大,而在约化流速为5.8附近,管体振幅达到最大并在这一临界值之后形成较为稳定的振幅值,产生明显的结构共振和涡激振动“锁定”现象。振幅稳定后垂向幅值约为管径的2倍,横向幅值与管径相当。对于波浪单独作用,在波浪较弱时,横向幅值与垂向几乎相等,随着特征KC_n数的增大,响应振幅先增后减。在特征KC_n数小于0.51范围内,垂向振幅大于横向振幅,其余范围则相反。垂向振幅和横向振幅分别在特征KC_n数为0.42和0.55时达到峰值,且两个方向的最大振幅值均与管体的管径相当。相对响应频率随着特征KC_n数的增大而减少,且垂向大于横向。     

在平台振荡条件下TLP张力腿的涡激非线性响应

给出了预测张力腿涡激横向振动的时域分析,考虑了波浪、海流、张力腿平台的横漂与垂荡诸因素.张力腿平台的垂荡引起张力周期性变化,对张力腿的涡激横向振动起参数激励的作用,使其动力响应更为复杂.讨论了参数激励下涡激响应的共振条件;以尾流振子模型为基础,发展了分析张力腿在动张力作用下的涡激振动的工程方法,并分析了一座TLP实例,给出了在横漂周期内张力腿上质点的相对位移、弯矩、剪力幅值的时间历程.结果表明,平台垂荡使张力腿的涡激响应幅值升高、高频成分增加,因此它对张力腿的疲劳设计是重要的.     

基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动（vortex-induced vibration,简称VIV）,发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明：基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。