任意截面大尺度垂直柱体的波浪力和水动作用力

许多海洋工程结构物和水工结构物,如海上贮油罐、各种支墩等,具有等截面柱状体外形,或在足够精确的工程近似意义上可视为这类柱体。它们的下端固置于水底,上端穿透水面,它们的波浪载荷是设计中的一个重要考虑因素;在许多场合,它们与周围流体的耦联振动也是相当重要的。对大尺度结构物而言,我们可在势流理论的范围内求解这一问题。通用的三维源汇分布法无疑是适用的,但对这类特殊的结构形式显得极不经济。     

均匀流场中并列圆柱涡激振动的现状与预测

并列圆柱体在均匀流场中的涡激振动十分复杂，但又广泛存在于实际工程之中。当两柱在流体激励作用下产生振动时，由于同时存在着流固耦合作用和柱间干扰作用，而使周围流场变得更加复杂。本文对并列刚性和弹性圆柱的流场分类，Ｓｔｒｏｕｈａｌ数及流体载荷等问题进行了综述，在此基础上提出了进一步研究的建议。     

不同倒角半径四柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究四柱体布置情况下倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,使用Fluent软件,采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900下6种不同倒角半径的柱体在方形四柱体布置时的三维流场。在模型分析验证有效后,分析了柱体后方瞬时流场、水动力参数、时均流场的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径的增大,上游柱体的平均阻力系数逐渐减小,下游柱体的平均阻力系数除了在R~+=0.1处增幅很大以外,其余均随倒角半径变大而平稳变大;各柱体的升力系数均方根变化趋势基本相同;R~+=0.1、0.5时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相反,而在R~+=0.2、0.3和0.4时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相同。     

用Morison公式试算海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩

根据实测流速资料采用Morison公式初步计算了海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩。内孤立波对桩柱的作用力与表面波的作用力是明显不同的。内孤立波的作用力几乎分布在整个深度范围；它在铅直方向不但有量值变化。也有方向改变——第一模态内波的作用力在桩柱的上、下部位作用方向相反。表面波对桩柱的作用力随深度的增大较快的衰减。且深度的改变不会使作用力的方向发生变化。计算结果表明：引起2．1m／s水平流的内孤立波对桩柱产生的总作用力约相当于300m波长、18m波高的表面波的总作用力；由于海洋内孤立波能引起很大的水平流，它对海上石油平台桩柱产生的总作用力以及相对于海面的力矩是不能忽略的。因此，在海上石油平台设计中应充分重视内孤立波的作用。     

基于MPS方法模拟低雷诺数方柱绕流问题

柱体绕流问题是流体力学领域一个非常经典的问题。当流体流经柱体时,由于黏性的存在,会发生许多复杂的流动现象,如流动分离、涡旋周期性生成与脱落等,经常被作为标准验证算例。同时,柱体绕流广泛存在于实际工程中,并在一定工况下可能对工程产生巨大危害,因此对柱体绕流进行深入研究具有重要意义。研究中,拟将一种无网格类方法——半隐式移动粒子方法(moving particle semi-implicit method,简称MPS)引入到柱体绕流问题的数值研究中,并对不同雷诺数下二维方柱绕流问题进行数值模拟。首先,使用基于MPS方法自主开发的MLParticle-SJTU求解器,结合入口边界条件和出口边界条件,模拟了雷诺数Re分别为40、200和1 000时均匀来流条件下的方柱绕流。随后,将模拟的绕流结果与文献中试验和数值计算结果进行了对比,结果吻合较好,并且在雷诺数为200和1 000时,可以清晰地捕捉到方柱尾流中的卡门涡街现象,验证了MPS方法在柱体绕流问题模拟上的有效性和适用性。     

并列双圆柱绕流的水动力特性研究

多柱体系统在石油开采逐渐向深海发展的过程中得到广泛的应用,由于波浪、流对多柱体的影响易导致其破坏。因此研究多柱体系统绕流具有重大价值。目前多不等直径多柱体绕流的研究还有待深入。本文利用Fluent模拟雷诺数Re=3 900,G/D为0.1~2.5,d/D为0.5、1.0情况下并列双圆柱的绕流过程,并根据模拟结果分析G/D和d/D的变化对大、小柱体涡脱落形态、升力系数Cl、阻力系数Cd和St值的影响。结果表明,随着G/D变化,涡脱落形态会呈现出不同的形式,绕流参数值也随之发生变化。当0G/D≤0.2时,柱后只有一个涡脱落,为单一涡脱落区,升、阻力系数值存在突变,St值小于单柱St值;当0.2G/D≤0.5~1.0时,柱后出现交替的偏斜流,为偏斜流区,升、阻力系数随着G/D的增大而减小,St值在两个极值之间变化;当0.5~1.0G/D≤2.5时,柱后有成对的涡旋,为双旋涡脱落区,升阻力系数值趋于稳定,St值稳定在0.2左右。偏斜流区与双旋涡脱落区之间的临界间距比G/D随着d/D的增大而增大;不等直径情况下,间隙流偏斜对大柱的影响小于对小柱的影响。     

冰激锥体振动物理模拟实验

应用DUT 1非冻结可破碎模型冰进行冰激锥体振动模拟实验的实验设备和模型的设计 ,给出了低冰速和高冰速两种情况下的结构位移曲线、冰力曲线及其幅值谱分析结果 ,得出了结构卓越频率和冰速与特征长度之比的关系 ,发现冰激锥体振动同冰激柱体振动一样有“频率锁定”现象。将实验结果与已有的冰排与圆柱相互作用实验结果进行比较 ,发现冰激锥体振动和冰激柱体振动有着相似的机理     

单自由度圆柱涡激振动特性及其影响因素分析

对二维刚性圆柱涡激振动进行了系统理论和数值模拟研究,对比了不同因素下圆柱振幅、锁定区间、升阻力系数等关键参数和特征,探究了影响圆柱涡激振动特性的因素。通过线性化分析推导出了锁定区间柱体响应的频率比、振幅与流体荷载和系统物性参数之间的定性关系。为检验理论分析结果,对相关经典实验的结果进行了整理,并用RANS模型开展了相应的数值模拟。理论分析、实验和数值模拟三者的结论相符,可以确认以下结论:当圆柱处在锁定状态时,其振幅大小由组合因子决定。组合因子越小,圆柱的振幅越大,反之则越小,但是组合因子对振幅的影响幅度有限;柱体锁定区间范围的大小由质量比决定,质量比越小,锁定范围越大,反之则越小,质量比对锁定区间范围的大小有显著影响,影响的主要范围是在约化速度较大一端。     

海洋平台输液管道振动流特性研究

该文研究了海洋平台输液管道振动流的行为特性。依据振荡流体力学基本原理 ,建立了输液管道非定常、不可压缩、粘性振动流的物理模型和数学模型。推导出了关于流场速度、压力系数的微分方程组 ,得到了不同条件下流动的速度和压力分布。结果表明流体诱发的海洋平台输液管道振动流的行为特性受管道结构形状及流体性质的影响。比较等截面管道的变分解和数值解 ,说明本文所选用的方法用于研究海洋平台输液管道振动流是有效的。     

弹性双柱在规则波作用下振动响应

通过速度势的特征展开方法,建立垂直圆柱对波浪绕射的解析解,得到作用在柱体上的波浪力计算表达式,通过谐波增量平衡法(IHB法),计算研究弹性双柱相对位置对双柱振动响应的影响。设计了弹性双柱体模型试验,数值结果与模型试验结果较吻合,为海洋工程结构振动设计提供一种解决方法。     

不同倒角半径下方柱绕流的数值模拟及水动力特性研究

为了研究不同倒角半径对方柱绕流特性的影响,采用有限体积法,模拟了雷诺数Re为22 500、倒角半径为0.1D(D为方柱边长的长度)、0.2D和0.3D时方柱的绕流过程。方柱近壁面采用增强壁面函数,模型采用SST k–?湍流模型。根据模拟结果给出了不同倒角半径下方柱的流场涡量图以及阻力系数Cd和升力系数Cl;利用快速傅里叶变换法得到斯托罗哈数St。结果表明,倒角半径的增加改变了方柱的分离点,使得尾流区长度增加,旋涡尺度减小;Cd和Cl的振动幅值呈现先减小后增大的趋势,倒角半径为0.1D和0.2D时方柱受力较小,不存在倒角时方柱受力较大,倒角半径为0.3D时方柱受力最大;随着倒角半径的增加,柱体截面形式越接近圆形,斯托罗哈数逐渐增大,漩涡脱落频率更快。     

流体——重力式锥状单腿平台结构——土相互作用体系的地震动力响应

本文用配点法对流体——重力式锥状单腿平台结构——土相互作用体系在地震作用下的动力响应问题进行了研究。采用频域分析法，将锥柱体Ｎ等分，利用运动方程和边界条件联立解方程组，继而求出平台结构顶端弹性位移和腿柱所受的动水压力、基础平移和基础转角的频响函数。分析不同锥角下体系的动力响应的影响，并分析研究了刚性地基和考虑土——结构相互作用时结构体系的动力响应情况，得到一些很有益的结果。     

不规则波和流对孤立桩柱共同作用力的计算

本文提出了用频谱法计算不规则波和同向水流对孤立桩柱共同作用力的方法。对计算波流力有关的统计量,如流中的波谱、速度谱、力谱和相应的均方根值等提出了计算公式。文中,用算例对系统的传递函数、力谱及波——流力的大小作了分析和比较。指出,在波——流场中建造桩柱结构物时,必须考虑波——流共同作用的动力响应.而采用谱法求不规则波和流共同作用力是较简单和适用的。     

内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力分析

采用理论研究和试验研究相结合的方法,对两层流体中内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力进行了分析。采用重力塌陷法进行内孤立波造波试验,通过PIV(Particle Image Velocimetry)技术获取内孤立波波剖面的时间序列,利用测力系统对竖直圆柱体在内孤立波作用下的受力进行测量。通过内孤立波波剖面试验分析,选取合适的内孤立波理论并对竖直圆柱体所受内孤立波作用力进行计算,将计算结果与试验结果进行汇总分析。结果表明:上层流体中圆柱体所受内孤立波最大水平作用力明显大于下层流体中各段圆柱体,且方向相反;随着内孤立波振幅的增大,各段圆柱体所受内孤立波最大水平作用力也相应地增大;密度跃层处圆柱体所受水平作用力具有相较于其他位置处更为复杂的变化趋势;选用合适的内孤立波理论进行计算能够较好的模拟竖直圆柱体的实际水平受力。     

波浪对透空外双壁筒柱的绕射

应用透空壁内流体速度与两壁间压力差成正比的线性模型，建立了外壁透空的双筒圆柱对波浪绕射的解析解。通过数值计算研究了外壁透空率的大小、内外柱半径之比等因素对桩柱上总波浪作用力和波面高度的影响。数值结果表明圆柱外壁透空系数的增加，将明显地降低圆柱周围的波浪高度和圆柱上的波浪力；内外柱径之比的大小对波浪力和波高的最大值无太大影响，而对波浪力剧烈衰减区的位置和波高的振荡周期有决定作用。     

大尺度海工圆柱的非线性波浪载荷

引入Stokes二阶水波理论,建立了对海洋工程中大尺度综合型圆柱式结构波浪载荷的二阶修正统一积分算式。通过对波势特征解法的推广及引入干扰波叠加法、最小二乘法,使原仅适合于轴对称单柱的二阶散射波浪载荷快速积分算法可完全适用于类型广泛的任意型实用圆柱的计算。几则实例(圆台,单、双柱)的计算检验了该方法的有效性。     

海冰物理特征值及其对桩柱作用力的测量

1970—1974年,我们在渤海湾进行了浮冰对固定平台桩柱作用力、浮冰漂移及海冰某些物理特征值的测量工作。本文着重介绍各项观测所使用的方法和仪器。关于观测资料的分析结果,将另文报道。一、浮冰对固定平台桩柱作用力的测量用电阻应变法测量浮冰对桩柱的作用力,其测量系统方框图如下。     

大尺度海工圆柱的非线性波浪载荷

引入Ｓｔｏｋｅｓ二阶水波理论,建立了对海洋工程中大尺度综合型圆柱式结构波浪载荷的二阶修正统一积分算式,通过对波势特征解法的推广及引入干扰波叠加法,最小二乘法,使原仅适合于轴对称单柱的二阶散射波浪载荷快速积分算法可完全适用于类型广泛的任意型被害用圆柱的计算,几则实例（圆台,单,双柱）的计算检验了该方法的有效性。     

考虑桩土作用独桩海洋平台横向振动特性研究

采用动Winkler弹性地基梁模型模拟桩土问动力相互作用，并考虑了流体与桩问相互作用，通过组合成层土中、水中桩单元的刚度阵，推得了独桩海洋平台连续系统横向振动的动刚度阵及在波浪力作用下平台甲板处的频率响应函数，进而求得了在确定性波浪力及随机波浪力作用下桩身任意点的位移响应。最后，通过算例研究和分析了在随机波浪力作用下成层土参数、甲板上重量及冲刷淘深等因素对平台振动响应的影响。     

五圆柱体结构群绕流特性及互扰效应研究

基于Fluent流体计算平台,运用大涡模拟方法对亚临界雷诺数Re=3900下“X”形排列五圆柱体结构群三维绕流特性进行研究,主要分析来流攻角α与间距比L/D两个关键参数对五圆柱体结构群的尾流区三维涡结构演化与流体力系数的影响,并揭示其内在流动互扰机理。研究表明:来流攻角和间距比的变化对五圆柱体结构群流动控制及互扰效应的影响显著。在小间距比工况下,观察到柱体群间隙区域内流体高速流动的现象,导致五圆柱体之间的互扰作用十分强烈。间隙流对中间圆柱体和下游圆柱体有较强的冲击作用,对其表面的流体力分布特性有显著的影响。另外,大间距比工况下,当α=0°与L/D≥5.0工况时,柱体群尾流效应强于其间隙流效应。当α=22.5°与L/D=7.0时,位于下游与中间处的圆柱体流体绕流特性存在较大差异。而当α=45°与L/D≥6.0时,位于上游与中间处的圆柱体尾流区均会产生正负交替的漩涡结构。