两层粘性流体中圆柱体受迫振荡数值模拟

研究两层粘性流体中无限长水平圆柱体的受迫振荡问题。在湍流模式下,采用VOF方法追踪两层流体的内界面,基于动网格技术模拟圆柱体的运动边界,对均匀流中横向振荡圆柱体的绕流场进行了数值模拟。计算受迫振荡圆柱体的升力系数、阻力系数随时间的演化曲线和圆柱体的尾涡分布,以及圆柱体的受迫振荡激发两层流体内界面的扰动,并与均匀流体的情况进行了比较分析。研究表明,流体的两层分层效应对受迫振荡圆柱体的升阻力系数和尾涡分布特性都有显著影响,在水下输油气管道涡激振动特性的工程评估中,应考虑流体的密度分层效应。     

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

水下非均匀拖缆稳态动力学分析

水下拖缆物理参数不均匀会影响拖缆的动力特性,研究非均匀拖缆的参数变化对拖缆动力特性的影响有一定的工程实际意义。建立了拖曳系统运动的三维数学模型,推导出了水下非均匀拖缆的稳态运动控制方程,在首尾两端加上相应的定解条件,直接求得或使用嵌套二分法求得非均匀拖缆在端点的初始值,进而求解稳态动力学方程。借助文献中的拖缆—海底拖车系统算例,通过计算结果的对比,验证了数学模型及计算方法的正确性。通过四阶龙格库塔法进行数值仿真计算,得到了稳态解,分析了非均匀拖缆自身物理参数变化对缆绳系统稳态运动的影响。结果表明,非均匀拖缆的切向阻力系数、法向阻力系数、直径和密度变化会影响稳态缆形和张力分布,影响的程度各不相同。最后给出了两个尾拖船系统非均匀拖缆的稳态运动算例。     

两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟

提出基于双推板的内孤立波数值造波方法,对两层流体中内孤立波与潜体的相互作用进行了数值模拟,分析不同潜深下潜体所受的内孤立波载荷特性.结果表明,内孤立波对水下潜体的载荷作用是不可忽视的.特别地,当潜体位于内孤立波中时,其所受的垂向力要远比潜体位于内孤立波下时的大.     

Diffraction of Water Waves by A Vertically Floating Cylinder in A Two-Layer Fluid

In this paper, the diffraction of water waves by a vertically floating cylinder in a two-layer fluid of a finite depth is studied. Analytical expressions for the hydrodynamic loads on the vertically floating cylinder are obtained by use of the method of eigenfunction expansions. The hydrodynamic loads on the vertically floating cylinder in a two-layer fluid inelude not only the surge, heave and pitch exciting forces due to the incident wave of the surface-wave mode, but also those due to the incident wave of the internal-wave mode. This is different from the case of a homogenous fluid. Some given examples show that, for a two-layer fluid system with a small density difference, the hydrodynamic loads for the surface-wave mode do not differ significantly from those due to surface waves in a single-layer fluid, but the hydrodynamic loads for the internal-wave mode are important over a wide range of frequencies. Moreover, also considered are the free surface and interface elevations generated by the diffraction wave due to the incident wave of the surface-wave and interhal-wave modes, and transfer of energy between modes.     

均匀流中直立圆柱体绕流三维数值模拟

研究直立贯底圆柱体的三维粘性绕流问题。以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,采用有限体积法和SIMPLE算法,建立了数值模拟方法。考察在不同水平和垂直断面上,圆柱体绕流产生的尾涡和流动速度场的分布特性,成功地数值模拟了直立贯底圆柱体绕流场的三维特性。结果表明,在考虑重力影响的情况下,直立圆柱体周围的流动具有明显的三维特性,而且沿圆柱体轴向不同断面上的尾涡分布是不相同的。     

浮式生产储油系统内孤立波载荷特性实验

将置于大尺度密度分层水槽上下层流体中的两块垂直板反方向平推,以基于MCC理论解的内孤立波诱导上下层流体中的层平均水平速度作为其运动速度,发展了一种振幅可控的双推板内孤立波实验室造波方法,并对内孤立波作用下浮式生产储油系统(FPSO)的载荷特性开展了系列实验。结果表明,无因次内孤立波水平力和力矩幅值均与先导内孤立子无因次振幅之间呈线性关系,其斜率与上下层流体深度比有关;在各种上下层流体深度比下,无因次内孤立波垂向力幅值与先导内孤立子振幅之间近似呈幂函数关系。     

内孤立波与深海立管相互作用数值模拟

提出了一种对内孤立波与深海立管相互作用耦合数值模拟方法。流场采用内孤立波数值水槽方法进行模拟,结构响应采用基于薄壳理论的有限元方法进行计算,采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的方法,实现了流体与固体之间的耦合数值模拟。对内孤立波作用下某长径比为1 200的深海立管载荷及其动力响应特性进行了数值模拟与分析。结果表明内孤立波不仅会对深海立管产生突发性剪切载荷作用,而且还会使立管产生大幅度变形响应现象,因此在深海立管设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。研究表明,该方法为研究内孤立波作用下深海立管动力特性及其工程预报相关问题提供了一种有效的手段。     

半潜式平台内孤立波载荷计算方法及其试验验证

针对半潜式平台的立柱群和沉箱群,设计了两套独立的载荷测量系统,利用大型重力式密度分层水槽,在不同来波方向下对孤立波中半潜式平台载荷进行了系列模型试验。研究表明,对平台立柱部分,其内孤立波载荷可以用Morison公式进行计算,基于试验结果建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;对于半潜式平台的沉箱部分,当来波方向与其中纵剖面不平行时,其水平内孤立波载荷同样可以使用Morison公式进行计算,并建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;当来波方向与半潜式平台中纵剖面平行时,沉箱群的水平内孤立波载荷可以采用Froude-Krylov公式进行计算;同时,在不同来波方向下沉箱群的垂向载荷同样可以采用Froude-Krylov公式进行计算。     

内孤立波作用下FPSO动力响应特性

以KdV、eKdV和MCC理论的适用性条件为依据,利用内孤立波产生的瞬时速度和瞬时压力沿船体表面求面积分的方法分别计算浮式生产储油卸油装置(FPSO)内孤立波摩擦阻力和Froude-krylov力,再结合时域有限位移运动方程,研究了有限深两层流体中的内孤立波与带分段式系泊缆FPSO的相互作用问题。以东沙群岛某海域实测170 m振幅的内孤立波为对象,数值分析了在内孤立波作用下FPSO的内孤立波动态载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波会对FPSO产生突发的冲击,使FPSO产生大幅度水平漂移运动,导致系泊缆张力显著增大。在该振幅内孤立波作用下,FPSO受到的水平力最大可达56 t,垂向力最大可达1 961 t;纵荡位移可达47.62 m,系泊缆张力增加最大可达106.4 t。因此,在FPSO等深海浮式结构物的设计应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。