作用在海洋移动式平台上的风倾载荷

本文在归纳国内外对作用在海洋移动式平台风倾载荷的研究文献的基础上，分析了目前船级社的规范中风载荷计算方法中的几个问题。本文介绍了作者编制的风倾力臂横截曲线计算程序，并给出了计算实例     

Truss Spar平台在浮卸作业过程中结构强度分析

在桁架式深吃水立柱式平台(Truss Spar)运输作业的浮卸过程中,半潜驳船不断压载下潜直到Truss Spar平台自浮后拖离驳船。针对浮卸作业的双浮体状态,提出Truss Spar平台在与半潜驳船发生接触情况下的载荷计算方案并进行结构应力水平评估。基于三维势流理论及SESAM软件,考虑平台及半潜驳船双浮体之间的水动力相互影响,首先对双浮体系统进行频域下求解,得到波浪诱导载荷;然后在时域下求解波浪中双浮体的运动方程及产生的接触力;最后将这两种载荷下的结构强度分析结果进行线性叠加,得到Truss Spar平台在波浪诱导载荷及接触力联合作用下结构应力水平。对比不同波浪方向及周期下的接触力结果,研究Spar平台结构整体应力水平及高应力区域位置特点,对总体强度水平进行评估。     

南极中山站夏季下降风数值模拟个例研究

南极内陆地面辐射冷却产生的近表层冷空气,沿高原斜坡向下流动而形成下降风,其分布形态决定了南极大陆近表层风场的主要特征。我国南极中山站全年均受下降风的强烈影响。夏季晴天时,中山站的下降风一般在傍晚开始出现,风速在午夜达到极值,在次日中午之前逐渐减弱,风速有显著的日循环特征。本文选取南极中山站2010年1月的夏季下降风个例,使用常规地面气象观测资料和Polar WRF极地大气数值模式进行了分析研究。结果表明:中山站夏季夜间晴天出现偏东向的下降风时,近地面风速变化趋势与地面气温呈负相关,相关系数为-0.91。数值模拟发现,中山站下降风在距地面高度约100~150 m之间时风速最大,约为15~21 m/s。在下降风发生时,近地层大气存在逆温现象。下降风较强时,近地层逆温也较强,逆温层厚度约为200~300 m,逆温强度约为4~6℃。在地面摩擦的作用下,中山站近地面下降风风向为东南,随着高度的增加,风向逆时针偏转,最终趋于与地形等高线平行。没有太阳直接辐射时,南极大陆地区存在持续的逆温层,逆温层的出现加强了下降风气流,随着逆温的增强,大风区逐渐西移,且面积不断增加。在夏季太阳辐射造成的逆温消失的短暂时间内,逆温时产生的下降风尚不能完全消失,由此形成了较稳定的风向空间分布特征。     

散射计风反演算法的数值模拟研究

由于缺乏散射计的σ°资料及相应的海面风数据，本文采用数值模拟方法对反演算法及多解消除步骤进行了初步的研究。结果表明，对于NSCAT散射计的设计参数，采用常用的反演算法进行模拟，约有70％的第一解是真实解。经过平滑处理之后约有95％反演解达到了散射计的设计精度，即风速误差＜2m／s或10％（取大者），风向误差＜20°。     

热带太平洋对风应力异常响应的数值试验

本文在建立了一个含约化重力及包括海表温度变化的正压非线性海洋模式的基础上,模拟了在年平均风应力作用下,海表温度及海流场的年平均状况,并做了热带太平洋对风应力突然加强的响应试验.西风增加区域分6.8°N～6.8°S间的整个赤道太平洋和西赤道太平洋二种情况.在这二种情况下,都能产生东太平洋的正海温距平和西太平洋的负海温距平,且正海温距平向东移动,与实际的EI Nino现象相似,并就海洋中Kelvin波和Rossby波的传播作了一些讨论. 此外,本文还试验了减弱的赤道太平洋东风恢复正常后,El Nino的衰减过程.结果表明,模式模拟的EI Nino衰减过程与观测到的现象比较类似.     

内孤立波作用下半潜平台荷载及其周围流场数值模拟研究

内孤立波对海洋平台的安全运行存在一定的威胁,基于三维数值水槽对内孤立波传播引起的半潜平台受力及其周围流场的分布进行了数值模拟研究.通过与试验对比,分析了入射波幅和分层流体深度比对半潜平台上内孤立波荷载特性的影响规律,验证了数值模拟结果是准确可靠的.研究表明,内孤立波引起的平台荷载会随着内孤立波波幅的增加而增大,随着分层流体深度比的增加而减小.基于对平台周围剖面速度场和三维涡场的演化规律研究,发现在内孤立波传播过程中,平台周围会出现明显的速度减小区,平台周围会有大量的漩涡产生并发生脱落现象.     

可燃气体泄漏爆炸下海洋平台数值仿真计算

用等效TNT方法计算了海洋平台复杂结构在油气爆炸冲击波作用下的动态响应,采用MSC.DYTRAN中的多欧拉-拉格朗日耦合方法进行数值模拟研究。用多欧拉域模拟结构内外空气中爆炸冲击波传播情况,用快速耦合方法计算结构和流体的耦合作用。模拟结果显示:在油气爆炸冲击波的作用下,平台舱室变形、失效后破裂,冲击波通过破口传入平台其它舱室;研究了平台各层甲板、舱壁等构件的吸能情况,为平台的结构设计和结构加强打下基础。     

新型多柱桁架式Spar平台水动力性能研究

Spar平台以其较大的水深适应范围,较好的运动性能和稳定性,在深海油气资源开采中得到广泛的使用。随着技术的进步,各种新型的Spar平台形式不断涌现,其各方面的性能也得到大量的研究。结合前几代Spar平台形式的特点,提出了一种新型的多柱桁架式Spar平台概念,希望通过桁架的使用,保持Spar良好的运动和受力总体性能,同时采用多柱式的硬舱结构,降低建造难度和成本。并对该Spar平台的水动力特性,载荷以及运动响应进行了数值建模计算,分析结果表明,其运动响应较小,水动力性能良好。     

Spar平台湿拖阻力性能研究

海洋平台由拖船拖至工作地点,计算海洋平台的湿拖阻力在实际工程应用中具有重要意义。采用实验和数值模拟两种方法进行桁架式Spar平台的湿拖阻力性能研究,并将两种结果进行对比。并分析了桁架式Spar平台的垂荡板间流场的变化规律。研究结果表明,Spar平台的湿拖阻力中,摩擦阻力所占总阻力的比例小于10%;在平台拖曳运动的前几秒中,垂荡板间流体剧烈运动,速度和压力显著变化,随后就运动慢慢变缓;Spar平台在低速拖曳时会产生明显的波浪,尾部有回流。     

风暴潮模拟中潮位对风拖曳力系数的影响研究

近年来,应用数值模型模拟台风引起的风暴潮运动越来越普遍,模型中对于风拖曳力系数的确定,一般都从相对风速出发,可引用的公式也较多,但这些公式很少考虑潮位变化对此系数的影响.在强潮河口、海岸海域,潮位变幅大,最高潮位甚至可达风速参考高度(10m)的近一半,如长江口和杭州湾.在数值模拟中不考虑风暴潮和天文潮共同引起的潮位变化,会造成风应力高潮时被低估、低潮时被高估的现象,从而影响风暴潮模拟的精度.为此本文对现有的风拖曳力系数加以改进,提出了考虑潮位影响的风拖曳力系数表达式,并应用于长江口、杭州湾9711号台风风暴潮的模拟中,增水模拟结果得到了明显改善,可进一步推广应用于强潮河口、海岸的风暴潮增水模拟中.     

Study on Collision Characters for SPAR Platform

This paper presents the research on the external mechanism of collision characters for a SPAR platform. The collision characters of SPAR platform have not attracted so much attention as that of ships in the past, because short of this kind of collision accidents reported. But with the increasing number of SPAR platforms in the world, the possibility of such kind of accident also increases. Therefore, it is necessary to master the character of SPAR collision. Model test technique is employed to study the external mechanism. The collision scenario is a ship colliding with a SPAR platform moored in the site with 1500 meters water depth. The striking ship hits the SPAR platform on the hard tank near water surface in its longitudinal direction. The specifics of the SPAR＇s motions and the tension forces of the mooring lines are collected to summarize the hydrodynamic characters in the collision scenario. It is found that the maximal displacements and the maximal pitch angles of the SPAR platform, and the maximal tension forces of mooring lines are all linearly proportional to the initial velocity of the striking ship basically. Mooring lines play elastic roles in the collision course.     

深海SPAR平台系泊系统耦合动力分析

随着海洋石油向深水领域的拓展,SPAR平台以其诸多优点逐渐成为海上油气生产的主流设施。主要研究SPAR与系泊系统间的耦合响应问题,在讨论了浮体在波浪中运动求解方法之后,阐述了如何利用非线性有限元技术对系泊缆索和立管进行动力分析和张力计算,以及浮体与系泊系统耦合计算的相关理论,对浮体和系泊系统耦合计算模型进行了描述。通过对某SPAR进行系泊系统耦合计算和对计算结果的讨论,证明了深海SPAR系泊系统耦合计算的正确性。     

考虑风能输入的抛物型缓坡方程

在Radder和Kirby发展的波浪折射绕射缓坡方程抛物型模型基础上,对这种模型进行了改进,改进后的模型除可以考虑波浪传播过程中的底摩阻损耗、非线性作用外,加入了风能输入对波浪传播的影响。基于风能输入项的波浪模型数值计算结果表明,在纯风浪情况下的计算结果与传统的风浪计算方法结果一致,在波浪传播过程中由于风的作用,将导致波高比无风作用下计算的波高大。     

Modelling the drained response of bucket foundations for offshore wind turbines under general monotonic and cyclic loading

The response of bucket foundations on sand subjected to planar monotonic and cyclic loading is investigated in the paper. Thirteen monotonic and cyclic laboratory tests on a skirted footing model having a 0.3 m diameter and embedment ratio equal to 1 are presented. The loading regime reproduces the typical conditions of offshore wind turbines: very large cyclic overturning moment, large cyclic horizontal load and comparatively little, self-weight induced, vertical load. The experimental soil-foundation response is interpreted within the macro-element approach, using an existing analytical model, suitably modified to accommodate the footing embedment and the application of cyclic load. Details of the proposed model are provided together with evidences of its ability to reproduce the essential features of the experimentally observed behaviour. The results of the study aim at increasing the confidence in the use of the macro-element approach to predict the response of bucket foundations for offshore wind turbines, notably as the long-term accumulated displacements are concerned.     

海上风机吸力基础的水平受荷研究综述

吸力基础具有施工速度快、安装过程中受海况天气影响小且易于回收重复利用等优点,被广泛应用于海洋工程。当吸力基础作为海上风电塔架的基础时,常常承受较大的水平荷载,因此其水平承载力是设计的主控因素。介绍了海上风机基础的设计要求,分析了影响基础水平承载性状的因素,总结了吸力基础受水平单调荷载、水平循环荷载和不同荷载组合三个方面的研究现状。讨论了水平荷载的大小、水平加载的高度(偏心率)、循环荷载的频率、循环荷载的次数、循环荷载的幅值、循环荷载的方向性、竖向荷载对吸力基础水平承载性状的影响,考虑了水平荷载的非共线性,指出了目前研究的不足,明确了吸力基础水平承载性状进一步研究的方向,提出了供工程实践参考的建议。     

非对称风场对台风浪模拟效果的比较研究

分析四象限非对称风场模型与叠加风场模型的优缺点,将模型结果与实测风速进行对比验证;利用上述两种风场模型分别驱动第三代海浪模式SWAN,对发生在南海海域的三场台风浪进行了数值模拟计算。结果显示:四象限非对称模型关于风速的计算值与实测值吻合度更高,尤其是当台风中心距离测站较近时;四象限非对称模型驱动SWAN模拟的台风浪精度优于叠加风场模型,适用于南海台风浪的数值模拟。     

基于2010—2020年东海风浪统计数据的海上风电吸力桶基础动荷载承载特性

为了得到桶基础承受风、浪动荷载的承载性能,结合我国东海地质条件,统计中国东海2010—2020年浅、深海风速和最大海浪数据,通过计算得到风浪荷载并制成ABAQUS软件幅值曲线施加到海上风电吸力桶基础上,分析了吸力桶基础在动荷载作用下的承载特性。结果表明：吸力桶基础受风、浪荷载影响明显,桶基础迎力面受到风浪动荷载产生拉拔现象。在浅海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形不协调,风浪荷载最大的10月份桶基础迎力面最大位移超出了规范0.02D的限制,基础失稳;桶基础背力面受压变形较小。在深海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形相对协调,施加风浪荷载后桶体迎力面最大位移为14.9 mm,整体上迎力面位移比背力面位移大4 mm,桶体处于稳定状态。相较浅海区的吸力桶单桶结构,深海区吸力桶结构由于尺寸增加,桶体的稳定性得到提高,说明吸力桶结构的尺寸对稳定性起决定性作用。     

海洋工程试验池中风场模拟

在考虑海洋工程装备在极端海况和运行海况下的载荷与受力,风载荷也是一个不可忽视的因素.目前物理模型试验仍是研究海洋工程结构物载荷与运动性能的重要手段,而深海结构物在水平漂移运动较大,如何在较大范围内得到满足试验要求的风场,是提高试验能力的重要问题.应用数值计算方法对大范围的风场模拟进行了分析,并进行了相应的物理实验,在此基础上对海洋工程试验的风场模拟提出了若干建议.     

风对中国东部海域海平面季节变化的影响

应用ROMS数值模式配置基本实验模拟了2004年到2006年中国东部海域海平面的季节变化。模拟结果与TOPEX／Poseidon（T／P）卫星高度计观测结果基本一致,海平面年较差从中国沿岸到黑潮路径逐渐变小。将数值模式的风应力项去掉,配置对比实验。与基本实验结果对比发现,对比实验海平面仍然具有季节变化,但是闽浙沿岸和苏北沿岸海平面春夏季异常偏低、秋冬季异常偏高现象消失,中国沿岸向太平洋的海平面变化减弱。春季和秋季,渤、黄海和黑潮附近海平面异于东海的现象减弱。对比实验海平面的年较差的数值明显减小,从近岸向黑潮海平面年较差渐变的过程消失。整个渤黄海的海平面年较差近似。对比实验海平面年较差占基本实验海平面年较差比率从近岸向黑潮路径逐渐增大。