快速转向推进器推力优化分配研究

随着船舶推进技术的不断发展,动力定位船舶将更多地使用快速转向推进器以提高其定位性能。快速转向推进器的使用将引入大角度变化率,这会造成优化分配求解域明显的非凸性,给优化问题的求解带来了挑战。针对装备快速转向推进器的动力定位船舶,运用区域外切近似法对其推力分配的非凸性问题进行了凸化,采用增广拉格朗日乘子法对控制力进行了优化分配。仿真结果表明:推荐的凸化处理方法能有效地解决推力分配的非凸问题,分配算法可以充分利用快速转向推进器的机械性能优势,寻找更优的可行解,从而显著地减少动力定位船舶的能耗,提高其定位性能。     

吊舱推进器与船体间相互影响研究进展

吊舱推进器是近年来发展起来的一种新型船舶推进装置.针对吊舱推进器与船体之间影响的成因、干扰形式和研究方法进行了阐述,总结了吊舱推进器与船体之间相互影响的理论研究和模型试验方面取得的成果.最后提出该领域的主要研究方向,作为进一步研究的参考.     

推进器失效对深海采矿船动力定位性能的影响分析

深海中蕴藏着丰富的矿产资源,深海采矿船是深海采矿的重要装备,通过动力定位系统控制采矿船的海上位置,动力定位系统由若干推进器组成。采矿船在海上受到风浪流作用,推进器一旦失效极易发生采矿船运动失控等安全事故,本文研究推进器不同失效方式下动力定位性能,分析推进器不同失效方式动力定位功能的损失。根据势流理论计算波浪载荷,数值模拟深海采矿船不同位置的单个推进器失效和多个推进器失效方式下的时域运动响应,对比各种失效方式对深海采矿船纵荡、横荡、艏摇三个自由度运动的影响,分析各种失效方式对剩余推进器推力的影响。研究结果表明：采矿船空载90°浪向,推进器不同失效模式对于纵荡运动影响远小于对横荡和艏摇运动影响,船艉单推进器失效对于纵荡和艏摇动力定位的影响大于两个推进器失效影响;对于采矿船多自由度运动动力定位两个推进器失效大于单推进器失效影响;一侧两个推进器或两侧推进器同时失效,对动力定位的影响相同,对于横荡运动的影响最大。本文揭示了深海采矿船推进器失效对于采矿船运动的影响程度和机理,对于深海采矿船的安全作业具有指导意义。     

串列蹼板推进器性能实验研究

水域环保无人清理船多采用明轮或螺旋桨作为推进器,以满足其浅吃水或高效推进的需求,但明轮推进器存在结构笨重,推进效率低等不足,螺旋桨存在吃水深,易被水生植物缠绕等缺点。本文参考履带式推进装置与明轮结构形式设计了一种浅吃水、防缠绕,同时具备较高效率的新型推进器,并进行了样机性能的实验测试,研究了蹼板的入水深度、形状等结构参数对推进器推进性能的影响;在此基础上尝试推进器在无人清漂船实船上的应用测试。研究结果表明：转速增加能够有效提升推进器的推力,而采用折板则可降低推进器扬水量并提高推进效率,实船应用测试证明双推进器能够提升小型无人清漂船的回转性能,同时具备较好的快速性。     

圆筒形FWPSO水动力性能模型试验研究

针对一圆筒形FWPSO设计概念开展水动力性能模型试验研究,研究发现圆筒形FWPSO纵摇运动受二阶波浪力作用明显,存在显著的低频运动;同时由于垂荡固有周期与波浪周期接近,该平台在大的波浪环境中出现较大幅度的垂荡运动而在小的波浪环境下纵摇和垂荡运动性能优良。该问题应当引起设计者足够的重视。     

升力面方法预报全方向推进器的非定常水动力性能

本文研究了全方向推进器非定常水动力性能的升力面预报方法,基于势流理论和格林定理建立了全方向推进器非定常水动力性能计算的数学模型,然后利用非定常涡格法对全方向推进器的非定常水动力性能进行了数值预报。本文的计算结果和日本水池模型试验结果、升力线方法计算结果对比表明,本文的计算值与试验值吻合良好。     

泵喷射推进器单频声实验研究(英文)

给出泵喷射推进器低频线谱的实验研究及分析结果。实验发现,在泵喷射推进器的噪声谱中,存在及其丰富的低频线谱,这些线谱的谱级非常之高,甚至可比噪声谱中连续谱部分高出２０ｄＢ～３０ｄＢ。并且这些低频线谱基本上都是转子轴频和叶频的谐波分量。实验结果表明,这种单频声的发生,发展与转子叶片空化状态和静压力的变化关系不显著,而主要决定于转子的转速。通过进一步的分析可以得出,这种线谱是由于转子与定子之间的相互作用产生的,轴频及其谐波分量线谱的产生则是由于转子叶片间的不一致所造成的。泵喷单频声的存在严重影响其噪声性能,因而,这是一个很重要的问题。     

基于LES的ROV导管推进器梢隙流动数值研究

导管推进器是一种普遍应用于无人遥控潜水器（ROV）等潜器中的特种推进器。在桨叶与导管之间的梢隙中存在非常复杂的流动,本研究基于大涡模拟（LES）对导管推进器的梢隙流动进行了数值模拟分析。通过对时间步长的收敛性研究,建立两套基于不同网格类型的计算模型。将计算结果与试验进行对比,比较两种不同类型网格模拟结果的差异发现,切割体网格能够更好地捕捉到泄涡的细节,并结合梢隙流场的原理分析泄涡发展的过程,梢隙涡的驱动力是吸力面与压力面之间的压差。此外,随着进速系数增大,梢隙周向的涡管轴向分布范围减小,主泄涡发生位置延后,泄出涡的长度和数量都有所减少。     

钱塘江古海塘水动力作用试验研究

通过古海塘原型资料调查得出古海塘现状以及存在的问题,结合历年水文资料的调研和现场水体运动形式的观测,获得荷载形式,通过波浪槽在模型比尺试验的基础上对钱塘江古海塘水动力作用进行室内模拟。试验结果验证了利用规则波模拟水动力荷载的可行性,并得出波浪对塘体的作用力受波高和波浪破碎情况的影响,波高相同时破碎点越接近海塘,破碎作用力越大;波高越大,波浪-塘体-土体相互作用越强,塘下土体中产生较大的瞬时孔隙水压力并产生孔压的累积;塘体前趾和后趾出现应力集中现象,周期1.5 s波高0.2 m时前趾压力增大后趾压力减小。     

基于大涡模拟的ROV导管推进器梢隙流动数值研究

导管推进器是一种普遍应用于无人遥控潜水器(ROV)等潜器中的特种推进器。在桨叶与导管之间的梢隙中存在非常复杂的流动,本研究基于大涡模拟(LES)对导管推进器的梢隙流动进行了数值模拟分析。通过对时间步长的收敛性研究,建立两套基于不同网格类型的计算模型。将计算与试验结果进行对比,比较两种不同类型网格模拟结果的差异,发现切割体网格能够更好地捕捉到泄涡的细节,并结合梢隙流场的原理分析了泄涡发展的过程,梢隙涡的驱动力是吸力面、压力面之间的压差。此外,随着进速系数增大,梢隙周向的涡管轴向分布范围减小,主泄涡发生位置延后,泄出涡的长度和数量都有所减少。     

新型浮式防波堤水动力性能数值研究

针对设计的新型双浮筒+Savinious型(S型)桨叶浮式防波堤的结构形式,基于势波理论和结构耦合水动力分析理论,利用面元积分和Newmark-β时间步进格式进行计算,研究其在线性规则波作用下的消波性能、运动响应和系泊张力响应,验证该结构的合理性。数值计算结果表明,阻尼修正后的防波堤纵摇运动响应合理,在波高H=1.5 m、波浪周期T=3 s下其消浪性能较为理想,透射系数达到0.65,同时系泊线张力呈周期响应并满足最大破断力的条件。此外,还研究了浮筒相对间距S1/L,浮筒—桨叶相对间距S2/L以及Savinious型桨叶高径比d/h三个无量纲关键几何参数对防波堤透射系数Ct和系泊线时域张力响应的影响。计算结果表明,浮筒间距S1越接近波长,防波堤消波性能越好,但迎浪侧张力响应幅值越大;随着浮筒—桨叶相对间距S2/L由0趋近于1,其透射系数随之减小,但迎浪侧张力响应幅值基本保持不变;减小桨叶的高径比d/h可以提高防波堤消波性能的稳定性,但张力响应幅值随之增大。     

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。     

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核.考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性.结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升.波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大.垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区.此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大.     

水下输液管道动力特性研究

该文研究水下横向输液管道的动力特性 ,假定管道系统承受外界均匀流的作用 ,同时考虑管内流体流动的影响 ,建立了水下输液管道侧向振动的微分方程。采用 Hermite插值函数和Galerkin法离散得到其有限元标准形式。研究管内流动为恒定流时输液管道长度、内部流体流动速度对管道动力特性的影响及管内流动含有谐波挠动的情况下输液管道固有频率的变化。结果表明 ,在管内恒定流动的情况下 ,输液的自振频率随管道长度及管内流速的增加而降低 ,同时管内流动的谐波挠动对管道的自振频率也有影响。     

波流共同作用下海底子母管线水动力的物理模型试验研究

通过物理模型试验研究海底子母管线分别在规则波加流和不规则波加流作用下的水动力特性。基于Morison方程,采用"等效直径法"分析得到子母管线拖曳力系数C_D,惯性力系数C_M和升力系数C_L(C_D⁺,C_L^-)。试验分别考察了流速比U_c/U_w,母管与海床间隙比e/D及子母管间的相对缝隙G/D对海底子母管线水动力系数的影响。结果表明水动力系数随U_c/U_w的增大而减小;当e/D<0.5时,海床对子母管线受力的影响比较明显,C_D,C_M及C_L⁺均随e/D增大而减小,|C_L^-|随e/D增大而增大;对子母管间的相互影响也不可忽略,C_D,C_M和|C_L^-|均随G/D增大而减小,C_L⁺值随G/D增大而增大。     

波流共同作用下海底子母管线水动力的物理模型试验研究

通过物理模型试验研究海底子母管线分别在规则波加流和不规则波加流作用下的水动力特性。基于Morison方程,采用"等效直径法"分析得到子母管线拖曳力系数C_D,惯性力系数C_M和升力系数C_L(C_D+,C_L-)。试验分别考察了流速比U_c/U_w,母管与海床间隙比e/D及子母管间的相对缝隙G/D对海底子母管线水动力系数的影响。结果表明水动力系数随U_c/U_w的增大而减小;当e/D<0.5时,海床对子母管线受力的影响比较明显,C_D,C_M及C_L+均随e/D增大而减小,|C_L-|随e/D增大而增大;对子母管间的相互影响也不可忽略,C_D,C_M和|C_L-|均随G/D增大而减小,C_L+值随G/D增大而增大。     

单点系泊船形养殖设施的水动力性能研究

中国沿海浮式养殖设施受季风和台风等影响不利于多点固定系泊,采用单点系泊方式有利于在位安全。针对船型养殖设施采用单点系泊系统作为系泊装置,能够很好地适应恶劣环境,本文使用 AQWA （Advanced Quantitative Wave Analysis） 软件进行水动力性能的数值分析,对三角浮框和方形浮框不同入射角度下的幅值响应算子 （Response Amplitude Operator,RAOs）、辐射阻尼和一阶波浪力进行频域计算,以及进行水动力时域计算。分析不同工况组合条件下养殖设施的运动响应及系泊力响应,评估在作业海域设施的在位安全性。     

基于水动力性能的TLP结构选型研究

为了解决四种典型结构型式的张力腿平台在中国南海荔湾气田极端海况条件下的选型问题,采用新的相似原则以保证平台的设计拥有相同的相似条件。这些相似条件确保了四种平台具有相似的水动力性能和系泊性能。考虑平台和系泊系统包括顶张紧式立管(TTRs)、钢悬链式立管(SCRs)及筋腱之间的耦合效应,运用动态时域耦合分析方法计算得到平台的动力响应,并通过对比不同结构型式的平台在作业、极限及生存工况下的运动响应以得到最优水动力性能平台。文中还分别对四种张力腿平台的动态响应、筋腱受力、气隙分析和动晕环境条件进行对比分析,分析结果为实际工程提供参考。     

OpenMP在水动力数学模型并行计算中的应用

采用PGI Fortran7.1-2(Portland Group)的OpenMP技术对二维水动力数学模型进行了并行优化试验。并行后,数学模型运行时间明显减少,在对同一算例的水流计算模拟中,串行和并行所需运行时间分别为5 336.781 s和3 454.296 s,平均加速比为1.56,平均并行计算节省时间36%,明显提高了水动力学数学模型的运算速度。     

振荡流作用下圆柱体结构的水动力特性研究

圆柱绕流作为流体力学领域中的经典问题,近年来得到了广泛的关注和研究。开展振荡流下二维圆柱的水动力特性和漩涡发放形态研究将为认识和理解圆柱绕流特性提供重要参考。基于RANS方程,采用k-ωSST湍流模型,首先通过对比雷诺数10 000时均匀流下的受迫振动试验数据,验证了研究方法的可行性,进而开展了振荡流下圆柱绕流的数值模拟,对比讨论了5种KC数下流体力系数变化情况及漩涡脱落模式,并开展了升力系数时历分析。结果表明:在低振幅、低频率下,小KC数时激励力系数变化较大,大KC数时流态趋向于均匀流,激励力系数变化较小。在大KC数时可以观察到较为明显的2S脱落模式,升力系数在每一周期内出现两次振幅调制现象,小KC数时流体变化较快,规律性相对较弱。