海-气振子厄尔尼诺-南方涛动模型的近似解

研究了一类厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的时滞耦合系统振荡的模型.利用同伦映射方法求出了ENSO模型解的渐近展开式,并讨论了相应问题的渐近性态.     

内波吸引子的数值模拟

密度稳定层结的流体中产生的内波沿着由内波固有频率、流体浮力频率等因素所确定的特征线(或内波射线)传播。边界上的反射不改变内波的频率,从而也不改变反射后的内波特征线与重力方向所成的夹角。侧边界倾斜的封闭容器内,内波能量沿特征线传播的过程中经侧壁、表面和底面的反射可能会集中在一个封闭的轨道上,形成内波吸引子。该现象已经得到水槽试验、线性理论和数值试验的验证。本文利用非线性非静压的环流模式MITgcm,模拟了二维封闭区域中(1,1)-吸引子和(2,1)-吸引子的形成过程,并讨论初值条件对它们的影响。稳定的(1,1)-吸引子其极限环两侧流速出现很强的剪切流。当减小地形的坡度时,由于线性因素的增加,吸引子的结构不变,但吸引子厚度在相空间中的收缩速度加快。对于(2,1)-吸引子,由于轨道所成的两个环中间的节点耗散了部分能量,吸引子的收敛速度较慢。节点处,流体速度始终为0,但存在强烈混合,流体浮力频率呈现振幅较大的周期变化。     

调频输入正弦锁相环路方程周期解的存在性与稳定性

本文进一步考虑了具有正弦鉴相特性的锁相环路,我们提供了不同于文[2]的锁定参数,且求出周期解的界和渐近稳定域。     

水下滑翔器主体外形优化设计

对水下滑翔器主体外形的优化设计问题进行研究.首先,在考虑内部机械结构限制的条件下,建立了主体外形优化数学模型,并采用CFX计算了若干主体形状的绕流阻力.在此基础上建立了映射主体外形的尺寸参数与绕流阻力的BP神经网络.然后将建立的神经网络作为优化设计问题的目标函数,采用坐标轮换法对滑翔器主体外形进行了优化设计,确定了尺寸参数的最优解.     

调频输入正弦锁相环路方程周期解的存在性与稳定性

本文进一步考虑了具有正弦鉴相特性的锁相环路，我们提供了不同于文（2）的锁定参数，且坏出周期解的界和渐近稳定域。     

水中悬浮隧道锚索参数振动分析和控制

为了进一步研究水中悬浮隧道锚索的参数振动以及振动控制,考虑到流的影响,建立水中悬浮隧道锚索的非线性振动模型,并利用数值方法推导求解了锚索的非线性振动方程,同时采用一种被动质量阻尼器进行振动控制。研究结果表明:锚索的参数振动与锚索的初张力、参数激励幅值、频率比有关,并具有明显的非线性特征;流的作用会对锚索的参数振动幅值产生一定影响,但流的作用不会改变锚索的共振规律;对锚索参数振动提出的振动控制装置,计算结果表明具有良好的减振效果。     

多频参激—涡激联合作用下顶张力立管分岔分析

复杂海洋环境中,顶张力立管顶部平台受到不同分量叠加的波浪作用,导致其轴向张力与多个频率相关,系统产生多频参激与涡激的联合振动,其动力学行为变得更为复杂,尤其是分岔和混沌等非线性振动特性有待进一步分析。首先,基于欧拉—伯努利梁理论,引入范德波尔尾流振子,建立和推导受多频参激—涡激联合作用下立管的动力学模型及其运动微分方程;接着,利用伽辽金法得到离散后的常微分方程组,采用多尺度法得到系统共振响应的调谐方程;最后,通过数值算例探究系统在多源和多频载荷联合作用下的共振响应。结果表明：对于多频参数激励,其中一个参数激励幅值在立管振动中起主导作用,而另一个会引起分岔的位置、数量和性质发生改变;随质量—阻尼参数增大,系统共振响应幅值整体先增大后减小,各分岔点出现的位置整体先向泄涡频率较大处移动,随后向泄涡频率较小处移动;质量—阻尼参数的变化还可能诱使系统发生倍周期分岔和混沌现象,危害结构安全。此外,采用直接数值积分求解微分方程组,验证近似分析结果,两者吻合较好。     

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。     

极端波浪条件下黏土质斜坡海床稳定性解析

海洋资源开发引起海底软黏土的结构性破坏,导致土体强度弱化,在百年一遇的极端波浪作用时极易发生斜坡海床的局部失稳甚至大范围海底滑坡,给海洋工程建设和正常运营带来严重影响。目前,主要采用极限平衡法评价这类海底斜坡,但该法只能给出近似解。基于极限分析上限方法,推导了极端波浪诱发的波压力对斜坡海床的做功功率,建立了外力功与内能耗散率平衡方程;利用最优化方法,结合数值积分和强度折减技术,求解了不同时刻的斜坡海床稳定性系数,并针对扰动后的斜坡海床开展了有限元解的对比验证。在此基础上,深入探讨了不同波浪参数(波长、波高和水深)和坡长小于一个波长等极端条件下的海底斜坡稳定性。     

海洋工程中双柔性圆柱流激振动响应特性

海洋立管、海底管线和浮式平台系泊缆等柔性圆柱结构的流激振动会造成严重的疲劳损伤。目前,关于单根柔性圆柱流激振动的研究较多。为研究多根柔性圆柱系统的流激振动特性,开展了双柔性圆柱流激振动的模型试验。采用模态分析法将试验测量应变转化为位移。通过分析双柔性圆柱在并列、串列和交错排布方式下的响应位移、控制频率,揭示了双柔性圆柱的流激振动特性。研究结果表明:柔性圆柱并列排布时,两圆柱的相互作用使结构顺流向位移增大;柔性圆柱串列排布时,受遮蔽效应的影响,下游圆柱控制模态较低。由于柔性圆柱的多模态响应特性,"锁频"区后下游圆柱的位移并未显著增大;柔性圆柱交错排布时,下游圆柱发生"Wake-flutter",横流向和顺流向的控制频率接近,顺流向的位移显著增大。     

Motion and Dynamic Responses of A Semisubmersible in Freak Waves

The present research aims at clarifying the effects of freak wave on the motion and dynamic responses of a semisubmersible. To reveal the effects of mooring stiffness, two mooring systems were employed in the model tests and time-domain simulations. The 6-DOF motion responses and mooring tensions have been measured and the 3-DOF motions of fairleads were calculated as well. From the time series, trajectories and statistics information, the interactions between the freak wave and the semisubmersible have been demonstrated and the effects of mooring stiffness have been identified. The shortage of numerical simulations based on 3D potential flow theory is presented. Results show that the freak wave is likely to cause large horizontal motions for soft mooring system and to result in extremely large mooring tensions for tight mooring system. Therefore, the freak wave is a real threat for the marine structure, which needs to be carefully considered at design stage.     

Floating pontoon breakwaters

The hydrodynamic properties of a pair of long floating pontoon breakwaters of rectangular section are investigated theoretically. The structures are partially restrained by linear symmetric moorings fore and aft. The fluid motion is idealized as linearized, two-dimensional potential flow. The breakwater motions are assumed to be two-dimensional, in surge, heave and pitch. The solution for the fluid motion is obtained by the boundary integral equation method using an appropriate Green's function. Numerical results are presented that illustrate the effects of the various wave and structural parameters on the efficiency of the breakwaters as barriers to wave action. It is found that the wave reflection properties of the structures depend strongly on their width, draft and spacing and the mooring line stiffnesses, while their excess buoyancy is of lesser importance.     

新模块化单桩缓冲系泊浮式集成结构系统研究

为配合我国南海重要岛礁陆域拓展及海洋资源开发,提出了一种基于新型单桩缓冲系泊与波浪能装置(WEC)集成的具有潮汐自适应特性的模块化浮体结构系统。基于三维势流理论,综合考虑浮体模块与单桩缓冲结构的相对运动及相关波浪能装置的机械耦合机理,重点研究了新型单模块浮式结构系统在典型海况下的动力响应特征,获得了单桩缓冲系泊系统的初步优化设计参数,并对极端海况进行安全校核,提出了优化自存策略。数值结果表明,此带有波浪能装置的新型单桩缓冲系泊系统,不仅可以有效地降低浮体模块的运动响应幅值并改善平台舒适度,还可以获得可观的发电量,而且在极端海况下,可以通过调整阻尼装置系统来稳定浮体模块的运动。     

风机基础TLP平台在波浪中运动性能的CFD数值分析

随着海上风能的开发向深水发展,支撑风机的载体平台越来越受到关注。在经济性与安全性、稳定性的多重要求下,张力腿平台（TLP）在海洋风能资源的开发中体现出了重要地位。采用基于开源平台OpenFOAM开发的计算流体动力学（CFD）水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU对一座处于中等水深下的风机基础水下TLP（STLP）的运动响应进行了数值模拟与研究。文中使用弹簧锚链模型模拟STLP的垂向系泊锁链系统,模拟该平台在不同波浪环境下的运动响应情况。首先将STLP单自由度自由衰减CFD模拟结果与已有全耦合时域分析结果进行对比,验证了naoe-FOAM-SJTU求解器及使用弹簧模型模拟STLP系泊系统的准确性与可靠性。随后在考虑非线性波浪载荷的情况下研究极端海况下与一般作业海况下STLP的运动响应情况,计算工况中的风机基础所受弯矩及锚链受力情况,并详细展示流场、速度场信息,分析高阶波浪成分、不同海况等条件对于STLP运动性能的影响。研究结果表明,TLP在中等水深中具有良好的运动性能,naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效模拟水中生产平台在波浪环境下的水动力问题,并可以对整个流场进行可视化展示与分析。     

多船旁靠系泊作业关键特性试验研究

旁靠带缆作业是实现海上补给、模块吊运、原油外输等运转的常用方式,针对浮式平台与两艘供应船以旁靠方式作业涉及的关键特征进行水池模型试验研究,阐述了旁靠带缆系统和护舷设备的属性和需遵循的规范衡准,深入分析旁靠系缆的张力、护舷的挤压力、船体之间的相对运动特征随有效波高和波浪入射角度等环境参数的变化规律,确定了适用于多船旁靠作业的海况条件。研究表明:波浪能量随有效波高的增大呈现非线性增大趋势,是影响旁靠作业窗口期的主要外部因素,而波浪入射角度对旁靠作业的影响程度与海况有较大关系;三船在纵荡、横荡以及艏摇方向具有明显的跟随性特点,运动响应的幅值和相位比较接近,浮式平台与供应船之间的相对运动较小,完全可满足作业要求。垂荡、横摇以及纵摇这三个波频方向,各船的运动并不同步,相对运动大,是影响多船旁靠作业窗口期的主要因素;有效波高为2.5 m的海况条件可满足多船旁靠要求。相关结论为实际的工程操作提供参考。     

张力腿平台涡激运动模型试验与数值分析

为揭示张力腿平台涡激运动响应规律,采用数值模拟与模型试验相结合的方法研究了全水深系泊张力腿平台涡激运动响应。根据张力腿平台主尺度参数,按照几何相似制作了水池试验模型,在满足运动相似和动力相似的条件下开展了均匀流、剖面流模型试验,并将模型试验结果与数值模拟结果进行了对比,验证了数值模拟与模型试验结果的一致性。分析结果表明在均匀流作用下张力腿平台涡激运动的锁定区间在5.5<U_r<8.5,来流角对涡激运动影响较大。剖面流作用下平台涡激运动规律与均匀流作用基本一致,但剖面流造流引起的能量分散,使平台在XY平面的运动轨迹变得不规律,系泊系统提供的回复力对涡激运动幅值有抑制作用,来流角和流速对张力腿或立管模态影响明显。论文得到结论对于张力腿平台的工程设计有一定借鉴意义。     

不同布缆方式锚碇沉管管段运动的数值模拟

通过建立波浪作用下锚碇沉管管段运动的时域数值计算模型,对锚碇沉管的运动响应及锚碇缆受力特性进行了研究。应用集中质量法求解锚碇缆力,应用四阶Runge-Kutta法求解管段时域运动方程,计算了在不同沉深、不同周期、不同波高和不同波向条件下沉管管段的运动幅值和锚碇缆力。数值计算的结果表明:锚碇沉管的锚碇缆对沉管管段的运动起到一定的约束作用,在沉放深度较浅、波浪周期较大时,锚碇缆对沉管管段运动幅度的制约更为明显。通过五种布缆方式的计算与分析,探讨了布缆方式对沉管管段运动响应及锚碇缆受力的影响,并给出了较为合理的布缆方案。     

Dynamics of elastically moored floating objects

The two-dimensional problem of wave transformation by, and motions of, moored floating objects is solved numerically as a boundary value problem by direct use of Green's identity formula for a potential function. The cross-sectional shape of the floating object, the bottom configuration and the mooring arrangements may be all arbitrary. For a given incident wave, the three modes of body motion, the wave system and mooring forces are all solved at the same time. A laboratory experiment is conducted to verify the theory. Generally good agreements between the theory and experiments are obtained as long as the viscous damping due to flow separation is small. A numerical experiment indicates that a conventional sluck mooring is to worsen the wave attenuation by a floating breakwater and that a properly arranged elastic mooring can considerably improve the wave attenuation by a floating breakwater.     

Fatigue damage induced by nonGaussian bimodal wave loading in mooring lines

Catenary mooring lines are typically subjected to bimodal loads, comprising of a wave frequency (WF) component due to the first-order wave forces and a low frequency (LF) component induced by the second-order wave forces. For moored vessels, the LF forces due to current and wind also play a role. Only dynamic wave loads are considered herein, while current and wind loads are modeled as constant forces. Because of the nonlinearities of the mooring line characteristics, the dynamic line tension and the second-order responses, both the WF and LF line tensions are in principle nonGaussian. These facts make it difficult to estimate the combined fatigue damage of mooring lines in the frequency domain. A fatigue combination rule based on the Jiao and Moan’s theory has been extended to cover the nonGaussian case. The purpose of this paper is to improve and validate the frequency-domain method by time-domain analysis based on a simplified, but accurate mechanical model of the dynamic line tension. Improvements on the LF and combined fatigue damage estimation have been made by considering the nonsymmetrical property of the LF line tension distribution. Both the WF and LF mooring line tensions due to wave loading have been simulated in the time domain for different sea states and the combined fatigue damage has been estimated by using the rainflow cycle counting algorithm. The accuracy of the frequency-domain method for estimating the bimodal nonGaussian fatigue damage of mooring lines has been verified by the time-domain simulations and is considered to be acceptable.     

基于STAR-CCM+的浮标锚泊系统数值研究

浮标锚链因磨损而断裂会导致浮标丢失,所以针对浮标锚泊系统的研究对锚链设计具有重要意义。为解决锚链系泊力计算方法精度不足和锚链力学简化模型与锚链实际形态不一致的问题,通过VOF （Volume of Fluid） 界面捕捉法建立了三维风、浪耦合流场,基于流体力学计算软件STAR-CCM+对一种滚塑浮标及锚链进行数值仿真计算。在建立双链节锚链物理模型基础上,通过求解浮标在风、浪中的受力及浮标与锚链连接处的受力损失求取锚链系泊力。结果显示,风浪越大,锚链的系泊力损失越大,2、3、4 级海况下浮标阻力损失分别为17.1%、36.6%、55.8%。锚链的双链节受力并非均等,主受力链节在2、3 级海况时承担90%以上的锚链系泊力,次受力链节的系泊力随着总系泊力的增加而增加,可见双链节锚链规格应与单链节相同。