组合动力锚水动力特性数值模拟研究

作为海上浮式结构物的一种新型锚固基础,动力锚具有自安装、不受水深影响、适用范围广的特点。在动力锚的基础上研发的组合动力锚结合了动力锚自安装和板锚法向受荷的特点,具有安装快速、适用多种类型海床、承载效率高等性质。组合动力锚在水中自由下落时的水动力学特性（下落速度、方向稳定性等）会受到锚链、尾翼宽度和助推器质量等因素影响。若下落速度过小或方向稳定性过差,则会影响锚的安装成功率。采用计算流体动力学方法模拟流体对锚的冲击和锚在水中自由下落过程,以优化组合动力锚的尾翼尺寸;其次研究锚链作用力和助推器质量对组合动力锚下落速度和偏角的影响规律。计算结果表明：组合动力锚的拖曳阻力系数为0.45左右,尾翼宽度最优尺寸为翼板宽度的1.25倍。连接在锚眼处的锚链会减小组合动力锚的下落速度并加剧锚的偏转,需综合锚的下落速度和偏角来确定锚在水中下落高度。     

板翼动力锚沉贯深度模型试验研究

板翼动力锚是依靠自重完成安装并靠自重和海床土的抗力来锚固的新型动力锚。板翼动力锚高速(15~25 m/s)贯入地基过程中涉及到高应变率、流固耦合、土体软化和大变形等难题,模型试验可避免上述计算困难,能直接得出不同的贯入速度所对应的沉贯深度。本文首先推导了模型相似关系,然后在常规重力条件下,进行了两组26个工况的板翼动力锚在均质黏土中动力安装过程的模型试验,根据试验结果确定了率效应参数的取值范围,并研究了每一项受力对沉贯深度的影响。最后提出了在均质黏土中预测板翼动力锚沉贯深度的经验公式。     

圆筒型鱼礁体纵横布设间距下的水动力特性研究

应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件数值计算了圆筒型人工鱼礁体在不同纵向和横向布设间距下的水动力特性,实测了圆筒型人工鱼礁体在纵向布设间距1.0L和2.0L (L为礁体长度)下的流场及受力特性,验证了物理模型实验中各个测点的流速值和阻力值,计算值与实验值吻合较好.研究...     

板翼动力锚水中自由下落过程数值模拟

板翼动力锚是依靠自重完成安装并靠自重和海床土的抗力来锚固的新型动力锚。板翼动力锚在水中自由下落的阻力决定了锚到达海床表面时的速度,进而直接决定了锚贯入海床中的深度以及它能提供的承载力。板翼动力锚的形状比较复杂,采用计算流体动力学的方法研究板翼动力锚的下落速度、水平位移和转角与下落位移的关系。计算结果表明:板翼动力锚的拖曳阻力系数约为0.93~1.12之间;在沉贯过程中应使加载臂与翼板共面以减少阻力;板翼动力锚的终端速度约为28 m/s。     

网格锚定单体碟形网箱的水动力特性研究

目前碟形网箱在我国并未得到广泛的推广应用,但其良好的抗流抗变形能力和可沉降特点使其在大风大浪水流湍急的深海水域有着不可替代的作用。如能在深水碟形网箱的基础上,开发出具有自主知识产权的深水网箱,必将对我国的养殖业产生重大的影响。本文基于凝集参数法,利用Orca Flex软件建立网格锚定的深水碟形网箱模型,并进行了多海况下的数值计算。结果表明,波流联合作用下,对锚绳张力影响最大的为海流流速,其次为波高,周期对张力的影响并不明显;锚绳最大张力并非出现在入射波与流速同向的情况下,而是发生在两者存在某一夹角时;浮环最大倾角随流速和波高线性增大,随着波浪周期增大而减小;此外,下沉能明显改善网箱系统和锚绳的受力。     

碟形网箱水动力特性的研究

根据物模实验得到碟形网箱在不同海况条件下的受力并给出了其估算方法和公式及其相关系数的取值,同时总结了碟形网箱的运动特性。     

动力锚在斜坡地基上的沉贯特性

水上浮式结构都需要锚固基础来定位.动力锚依靠重力以自由落体的方式安装,是一种自安装锚固基础,具有安装过程简单高效的优点.通过1g模型试验研究了自行研制开发的板型动力锚在斜坡地基上的沉贯过程,分别考虑了基床坡度、锚柄方位和贯入速度对锚最终偏角的影响.结果表明:基床的坡度越大,锚的最终偏角也越大,但基床坡度对动力锚最终偏角影响有限,对动力锚的安装和承载能力影响较小.当贯入速度相同时,锚柄平行坡面时锚的最终偏角最小,锚柄指向坡外时锚的最终偏角最大;当基床坡度相同时,锚的贯入速度越大,锚的最终偏角越小.     

方型人工鱼礁水动力性能试验研究

人工鱼礁水动力性能的研究对于鱼礁的设计、礁区布局具有非常重要的意义。本研究设计2种方型人工鱼礁模型,在回流水槽中测量不同水流速度下的鱼礁阻力,并计算阻力系数(Cd)与雷诺数(Re)。结果表明:无盖礁体模型正面迎流时(θ=0(°)),当Re超过7.5×104时,Cd为1.64,其自动模型区域为Re>7.5×104;45(°)方向(θ=45(°))迎流时,当Re超过6.36×104时,Cd为1.3,其自动模型区域为Re>6.36×104。有盖礁体模型正面迎流时,当Re超过6×104时,Cd为1.69,其自动模型区域为Re>6×104;45(°)方向迎流时,当Re超过8.48×104时,Cd为1.43,其自动模型区域为Re>8.5×104。1种礁体模型在不同迎流方式下所受的阻力不同,45(°)方向迎流比正面迎流时的阻力大。在相同的迎流方式下,有盖礁体所受的阻力比无盖礁体大。     

霍尔锚抛锚深度模型试验研究

河床或海床中会布设光缆、管线、隧洞等结构物,如果该水域上有船只抛锚,就要考虑抛锚对结构物安全的影响。通过模型试验探究了霍尔锚在黏土中的抛锚深度,研究了贯入速度、锚重以及土强度对抛锚深度的影响。在模型试验中,用MEMS加速度传感器捕捉锚在土中运动时的加速度,并由加速度积分得到锚的下落速度及对应的下落位移。模型试验结果表明:当霍尔锚以极限速度贯入软黏土中时,17.8 t锚在强度为7.5 k Pa土中的贯入深度为4.0 m; 42 t锚在强度为8.3 k Pa的土中贯入深度为6.7 m。根据试验结果建立了霍尔锚在土中动力贯入时的运动微分方程,分析了作用在锚上的各项受力,并预测了抛锚深度。此外,根据模型试验结果,建立了抛锚深度和锚的总能量之间的经验公式。     

珊瑚礁冠层水动力学问题研究综述

珊瑚礁冠层水动力学的研究不仅对维护珊瑚礁生态系统的健康以及生态修复具有指导意义,还能为在台风浪等极端波浪影响下的海岸带防灾减灾提供决策依据,也对预测珊瑚礁上的泥沙输运和珊瑚礁海岸线演变具有重要的参考价值。本文回顾了珊瑚礁冠层水动力学的研究现状,从冠层内外流动特性、冠层阻力特性及冠层阻力的模拟方法 3个方面对当前该领域的研究进展进行了系统的综述,并提出未来冠层内外流动特性的研究可关注更复杂的波浪或波流共同作用下的水动力特性,冠层阻力特性应充分考虑冠层骨架结构的各向异性,冠层阻力的模拟可采用直接求解基于Navier-Stokes方程来复现冠层尺度下的精细化流场。     

Spar平台垂荡板水动力特性强迫振动试验研究

采用强迫振动试验的方法,对Spar平台不同振幅和不同振动频率下的附加质量系数和粘性阻尼系数进行了系统研究。分析研究了实心垂荡板和开孔垂荡板对Spar平台水动力特性的影响,并将Spar平台整体模型的试验结果与圆柱体和单独考虑垂荡板时的试验结果比较,结果表明垂荡板结构能有效提高Spar平台的附加质量系数和粘性阻尼系数,在KC=0.2～1.3时,开孔率为5%的开孔垂荡板Spar平台和实心垂荡板Spar平台相比,粘性阻尼有所提高但是附加质量减小。试验进一步研究了垂荡板间距对Spar平台水动力性能的影响,得到了水动力系数随垂荡板间距的变化情况,研究成果对实际工程中Spar平台的优化设计具有一定的指导意义。     

Experimental investigation of the keying process of OMNI-Max anchor

ABSTRACT

The OMNI-Max anchors are newly developed dynamically installed anchors for deep water mooring systems. After installation, the anchor is keyed to a new orientation and position by tensing the attached mooring chain, which is known as the “keying process”. This study conducted 1g model tests to study the trajectories and capacity developments of OMNI-Max anchors in homogeneous and lightly overconsolidated (LOC) clays. A testing arrangement was designed to simulate the anchor keying process with a constant pullout angle at the mudline. A half model anchor which could move against the box glass was used to determine the anchor trajectory in the soil. The effects of padeye offset angle, uplift angle at the mudline, anchor fluke thickness, anchor initial embedment depth, and soil strength on the anchor trajectory and capacity were systematically investigated. Moreover, the critical uplift angle at the padeye and the anchor critical initial embedment depth were discussed. The results indicate that the anchor can dive both in homogeneous and LOC clays under certain conditions. A padeye offset angle of 24–30° is recommended for the OMNI-Max anchor to maintain high capacity and diving trend simultaneously. Besides, the anchor diving trend can be improved with small uplift angles at the mudline and with thick anchor flukes. A critical initial embedment depth of 1.3 times the anchor length is recommended to preclude the anchor from being pulled out.     

Toward a quick evaluation of the performance of gravity installed anchors in clay: Penetration and keying

Gravity installed anchors (GIAs) are the most recent generation of anchoring solutions to moor floating facilities for deepwater oil and gas developments. Challenges associated with GIAs include predicting the initial embedment depth and evaluating the keying performance of the anchor. The former involves high soil strain rate due to large anchor penetration velocity, while the later influences the subsequent behavior and pullout capacity of the anchor. With the coupled Eulerian–Lagrangian method, three-dimensional large deformation finite element models are established to investigate the penetration and keying of GIAs in non-homogeneous clay. In the penetration model, a modified Tresca soil model is adopted to allow the effects of soil strain rate and strain softening, and user-defined hydrodynamic drag force and frictional resistance are introduced via concentrated forces. In the keying model, the anchor line effects are incorporated through a chain equation, and the keying, diving and pulling out behaviors of the anchor can all be replicated. Parametric studies are undertaken at first to quantify the effects of various factors on the performance of GIAs, especially on the penetration and keying behaviors. Based on the results of parametric studies, fitted formulae are proposed to give a quick evaluation of the anchor embedment depth after the installation, and the shackle horizontal displacement, shackle embedment loss and anchor inclination at the end of the keying. Comparative studies are also performed to verify the effectiveness of the fitted formulae.     

径流量变化对长江口水动力特性的影响

为了研究径流量变化对长江口水动力特性的影响,利用MIKE21建立长江口水动力数学模型,分别模拟计算长江口不同径流量影响的潮流场,统计分析不同径流量时各汊道涨落潮量和净泄量以及分配比例;统计分析不同径流量对各汊道潮位变化的影响;统计分析不同径流量对北槽中下段水动力特性的影响。得到如下结论:1)径流量的变化对于涨潮分流的影响显著,随着径流量的增加,更多的潮流从北支、北港、南槽进入长江口内。当上游的径流动力增强,外海潮流受上游径流的阻挡,难以继续上溯。2)越是靠近上游,径流量的变化对平均潮位的影响程度越高,入海口处受径流的影响微弱;上游径流量越大,潮波向内陆传播越受阻,能量消耗越大,致使其动力减弱。3)径流量的变化对平均流速的影响与上述潮位变化类似,上游径流量越大,各汊道流速越大;越靠近海洋,径流影响越小。4)长江口北槽中下段转流时刻会出现平面对流现象。横向方向上普遍存在越堤水流,且南北导堤均为北向越堤流占优势。     

考虑植物影响的波浪和波生流迭加条件下水动力特性数值模拟研究

海岸湿地是近海地区重要的生态系统,由于潮流、波浪尤其是非连续水流与植被的相互作用,导致该海域的水动力环境复杂多变。本文发展了一个深度平均二维波流耦合数学模型,模拟湿地海域波浪和波生沿岸流的运动特性。水动力模型中植物拖曳力作为源项放入动量方程中,在波浪作用量平衡方程增加波能耗散项用于解释水生植物对波浪产生的阻力作用。在动态耦合模型中,波浪模型为潮流模型提供波浪辐射应力、波高、波浪周期等数据信息,潮流模型为波浪模型提供计算的水位和流速,可以达到双向动态耦合。本文发展的波流耦合模型通过三个实验室试验数据加以验证,计算结果和实验数据吻合较好,在波浪、波生流和植物迭加条件下,所建模型能够有效地模拟波浪、沿岸流等不同现象。