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海上养殖平台系泊系统耦合动力分析

船舶与海洋工程 2021年第1期37卷 10-14页

作者：张晓莹扈喆林国珍李妍李晓文集美大学轮机工程学院福建厦门361021 集美大学福建省船舶与海洋工程重点实验室福建厦门361021

以某管架式海上养殖平台为例,研究其水动力性能和平台-系泊系统耦合时域动力响应。分析该平台的运动幅频响应因子、锚链拉力统计特性、波频振荡与二阶力特性、最大锚链拉力组成成分和运动规律等。研究发现,二阶力对系泊系统动力响应有... 详细信息

以某管架式海上养殖平台为例,研究其水动力性能和平台-系泊系统耦合时域动力响应。分析该平台的运动幅频响应因子、锚链拉力统计特性、波频振荡与二阶力特性、最大锚链拉力组成成分和运动规律等。研究发现,二阶力对系泊系统动力响应有重要影响,漂移力是决定该平台系泊系统安全性的主要因素。计算结果表明,该平台具有良好的水动力性能,系泊缆能有效限制平台运动,且其强度满足规范的要求,可供类似平台的设计和安全性评估参考。

关键词：养殖平台水动力性能系泊系统耦合动力响应强度校核

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张力腿式浮动风力机极限载荷分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2015年第4期43卷 113-117页

作者：赵永生杨建民何炎平顾敏童上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240

针对所提出的新型多立柱张力腿式浮动风力机在正常工作工况下的运行,进行了时域耦合动力响应仿真分析和极限载荷预报.选取了在此工况下可能出现极值的叶片根部弯矩(面内弯矩和面外弯矩)作为研究对象,依据IEC61400-1和IEC61400-3标准要求... 详细信息

针对所提出的新型多立柱张力腿式浮动风力机在正常工作工况下的运行,进行了时域耦合动力响应仿真分析和极限载荷预报.选取了在此工况下可能出现极值的叶片根部弯矩(面内弯矩和面外弯矩)作为研究对象,依据IEC61400-1和IEC61400-3标准要求,运用极限载荷统计外推法得到了不同重现期内的极限载荷.采用将分块最大值法和过阈最大值法相结合的方法来提取局部最大载荷.选用三参数威布尔分布作为局部最大载荷概率分布函数,并使用最小二乘法对其进行参数估计,验证了在不同风速下所拟合的极限载荷短期分布的收敛性.

关键词：浮动风力机张力腿式极限载荷外推短期分布长期分布耦合动力响应

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半潜式钻井平台锚泊系统设计与试验验证

舰船科学技术 2016年第8期38卷 62-66页

作者：赵晶瑞冯玮杜庆贵中海油研究总院北京100028

针对某深水半潜式钻井平台,为其设计1套多点扩展式锚泊系统。采用数值方法计算船体与系泊系统耦合动力响应,并通过水池模型试验对计算结果进行验证。结果表明,在钻井作业与生存工况下该平台的最大水平偏移与系泊张力均满足规范要求。通... 详细信息

针对某深水半潜式钻井平台,为其设计1套多点扩展式锚泊系统。采用数值方法计算船体与系泊系统耦合动力响应,并通过水池模型试验对计算结果进行验证。结果表明,在钻井作业与生存工况下该平台的最大水平偏移与系泊张力均满足规范要求。通过计算结果与试验结果的对比发现,由于水池试验采用等效截断方法低估了系泊缆绳本身的质量惯性与所承受的流体载荷,导致系泊张力的计算结果略大于实验结果。

关键词：多点系泊耦合动力响应等效截断方法质量惯性

新型Spar浮式风机气动-水动-系泊全耦合数值分析

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新型Spar浮式风机气动-水动-系泊全耦合数值分析

作者：赵书晨大连理工大学

学位级别：硕士

为了实现人类社会的可持续发展,全球各国都将目光投向了新能源领域,而在各主流新能源中,风能是最具前景的新能源之一。现今风能的利用仍以陆上风电为主,但与其相比,海上风电拥有不占用土地资源,储量巨大,电力传输便捷,不影响居住环境等... 详细信息

为了实现人类社会的可持续发展,全球各国都将目光投向了新能源领域,而在各主流新能源中,风能是最具前景的新能源之一。现今风能的利用仍以陆上风电为主,但与其相比,海上风电拥有不占用土地资源,储量巨大,电力传输便捷,不影响居住环境等优点,且离岸越远其优势越明显。但随着离岸距离和水深的增加,传统的固定式风机的成本和建造安装难度直线上升,在这种情况下浮式风电应运而生,海上浮式风电的发展是新能源发展的必要一步,正受到越来越多的关注,现已成为能源领域的研究热点。本文以一新型Spar浮式风机为研究对象,通过气动-水动-系泊全耦合数值仿真模拟对其动力特性进行分析,主要研究内容如下:首先通过ANSYS AQWA建立新型Spar浮式基础的频域水动力模型,计算得到其六自由度附加质量、辐射阻尼、一阶波浪力和幅值响应算子等水动力数据,并将其幅值响应算子与传统Spar浮式基础进行对比,结果表明新型Spar浮式基础的水动力性能,特别是垂荡和纵摇方向的水动力性能良好。之后由FAST和OrcaFlex软件建立新型Spar浮式风机的气动-水动-系泊全耦合时域分析模型,通过模拟风机的六自由度自由衰减运动算得其各自由度的固有频率,并进行新型Spar浮式风机在风浪联合作用下的时域数值模拟,计算得到其在正常工况和恶劣工况下的六自由度运动响应、机舱加速度响应、系泊缆张力响应、塔底和叶根处载荷响应。由其动力响应数据的时域和频域分析总结得出风浪条件与风机各动力响应之间的规律。结果显示,新型Spar浮式风机的各动力响应均在合理范围之内,发电功率输出正常,满足安全性要求,性能良好。最后分析了新型Spar浮式基础主要结构尺寸对其运动特性的影响,结果表明新型Spar浮式基础的浮体尺寸和立柱尺寸与其运动性能密切相关,简单总结了相关规律,为新型Spar浮式基础的设计提供了参考。

关键词： Spar 浮式风机耦合动力响应数值分析

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Spar型浮式风机平台动力响应分析

Spar型浮式风机平台动力响应分析

作者：唐耀上海交通大学

学位级别：硕士

随着日益严峻的能源稀缺和全球变暖，风能作为一种绿色可再生的能源，越来越受到人们的关注。由于陆上风机的安装空间有限，而近海海域的风机又会影响海岸环境，深海海域广阔的安装空间和巨大的风能资源吸引了越来越多的专家学者致力于... 详细信息

随着日益严峻的能源稀缺和全球变暖，风能作为一种绿色可再生的能源，越来越受到人们的关注。由于陆上风机的安装空间有限，而近海海域的风机又会影响海岸环境，深海海域广阔的安装空间和巨大的风能资源吸引了越来越多的专家学者致力于浮式风机的研究。本文首先综述了国内外浮式风机平台运动相应的研究现状，然后概述了浮式风机工作状态可能会遇到的风和海浪的基本特性。作为前期研究准备工作，基于OpenFOAM开发了二维粘性数值波浪水池，并验证了其有效性。然后，利用SESAM软件中的Patran-Pre模块建立了OC3-Hywind Spar型浮式风机平台的面元模型。由于势流在解决大尺度海洋工程问题中的丰富经验，本文介绍了解决无系泊无航速浮式海洋结构物在波浪载荷作用下频域内运动响应的势流理论，随后，使用HydroD模块计算了该Spar型风机平台的附加质量、阻尼系数、RAOs和激励力，从Spar型浮式风机平台的RAO中粗略估算出该平台的固有频率，给出了Spar型平台工作时的危险频率范围。随后，介绍了有系泊浮式海洋结构物在波浪载荷作用下时域内运动相应的相关理论，设定了系泊风机在工作状态下可能遇到的环境条件，在DeepC模块中考虑Spar型风机平台与系缆之间的耦合作用，计算了系泊风机在均匀定常风作用下的静平衡位置,以及在均匀定常风和规则波作用下、在均匀定常风和相应不规则波作用下的动力响应。通过对时域结果进行谱分析，总结出平台的运动可分为与锚链和平台固有频率相关的低频运动和与遭遇波浪频率相关的高频运动两部分;通过对时域结果进行最大值分析，总结出平台的运动是由作用于平台的风力和平台遭遇的波浪频率共同决定的，平台的运动幅度随着平台所受风力和遭遇波浪周期的增大而增大。本文研究浮式风机系统动力响应的分析方法对于将来该领域的研究具有一定的参考价值，所得的研究结果可为浮式风机的优化设计提供一定的指导，并可为将来相关试验的设计提供参考。

关键词：浮式风机耦合动力响应规则波不规则波均匀定常风

浮体横摇运动与窄缝流体共振耦合作用的数值研究

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浮体横摇运动与窄缝流体共振耦合作用的数值研究

作者：王新大连理工大学

学位级别：硕士

当海上大型浮体进行并靠作业时,会在它们之间形成宽度远小于浮体尺寸的狭窄缝隙。当入射波频率与窄缝内流体的固有频率相接近时,窄缝内发生大幅流体升沉运动,该现象即为窄缝流体共振。另外,在恶劣海况条件下,浮体的横摇运动将会表现出... 详细信息

当海上大型浮体进行并靠作业时,会在它们之间形成宽度远小于浮体尺寸的狭窄缝隙。当入射波频率与窄缝内流体的固有频率相接近时,窄缝内发生大幅流体升沉运动,该现象即为窄缝流体共振。另外,在恶劣海况条件下,浮体的横摇运动将会表现出十分复杂的非线性特性,当与大幅流体共振发生耦合作用后,对浮体的稳定性和海上工程作业造成严重威胁。因此,本论文主要通过数值模拟的方法,研究在波浪作用下,浮体横摇运动与窄缝间流体共振的耦合作用问题。首先,基于不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程,建立二维粘性流数值模型,利用VOF方法捕捉自由液面,通过任意拉格朗日-欧拉观点下的动网格技术求解流固耦合运动响应。与已有实验结果的对比验证表明,所建立的数值模型可以准确分析计算大幅窄缝流体共振和浮体运动响应。论文对并靠双浮体的横摇运动与窄缝间流体共振的耦合作用问题开展了数值研究。研究工作表明,与浮体固定不动的情况相比,浮体横摇运动会加剧窄缝间流体的共振波高,同时导致共振频率降低。窄缝间流体与浮体的耦合运动响应存在着明显的非线性跳跃现象,二者构成了一个高度耦合的动力响应系统。浮体间窄缝内的稳态波面运动存在主控频率的高倍频响应。研究工作表明,浮体结构的底角形状对窄缝间流体的共振响应特性有重要影响。随着浮体底角半径的增大,窄缝间流体的共振频率逐渐向高频方向移动,共振波高有近似线性增大的趋势。通过分析共振条件下窄缝间的涡量场特性,发现结构壁面处存在高强度的剪切层;窄缝入口的底角处,涡旋脱落在圆角影响下明显减弱,这也意味着壁面摩擦和由尖角引起的流动分离对机械能损耗的影响不容忽视。论文进一步研究了浮体的横摇运动与近距离靠泊大型浮体/直墙的间隙内大幅流体共振的耦合作用问题。通过前述粘性流数值模拟,系统研究浮体几何参数对窄缝内流体共振特性以及横摇响应特性的影响,包括:窄缝宽度、浮体宽度、浮体吃水深度、浮体底角半径。明确了各参数对窄缝流体共振和浮体横摇运动的响应特性、波浪反射系数以及能量耗散系数的影响作用。结果表明,随着窄缝宽度的增大,共振频率呈现出线性减小趋势,相对共振波高和横摇响应幅值均随之逐渐减小,且基本围绕初始平衡位置做横摇运动;改变前后浮体的宽度,迎浪侧横摇浮体的宽度变化对耦合动力响应的影响更为显著;横摇浮体的吃水深度对横摇响应幅值产生非线性效应,而横摇平衡位置逐渐变大且幅度非常明显;随着横摇浮体底角半径的增大,横摇响应幅值逐渐增大,平衡位置的偏移更加明显地呈现出无规律性的变化趋势。随着入射波波高的增大,其对应的相对共振波高逐渐减小且趋势逐渐平缓,说明窄缝内流体共振过程中机械能损耗相应增大。浮体的横摇运动与大型浮体/直墙的窄缝间流体振荡保持了高度耦合的动态系统,而二者的耦合响应在共振时未出现突变式跳跃现象。

关键词：窄缝流体共振浮体横摇运动流固耦合作用耦合动力响应计算流体力学

涡激共振对Spar型浮式风机运动响应的影响

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涡激共振对Spar型浮式风机运动响应的影响

作者：翟佳伟天津大学

学位级别：硕士

风能是海上储量巨大且可再生的绿色能源,风电的大规模开发日益受到各国的重视。深海的风电设备普遍采用浮式风机基础,因此对浮式风机系统动力响应的研究具有重要理论与工程意义。本文总结了当前浮式风机基础结构的基本形式,并介绍了国... 详细信息

风能是海上储量巨大且可再生的绿色能源,风电的大规模开发日益受到各国的重视。深海的风电设备普遍采用浮式风机基础,因此对浮式风机系统动力响应的研究具有重要理论与工程意义。本文总结了当前浮式风机基础结构的基本形式,并介绍了国内外对浮式风机系统的动力响应和涡激运动的研究现状与不足。本文以美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)公布的5MW水平轴风机作为风机模型,以OC3项目提出的Hywind结构作为浮式基础,展开涡激及风浪流联合作用下的风机运动响应研究。本文采用Fluent软件,进行圆柱绕流仿真,对海流作用在Spar型浮式基础上的涡激力进行了直接模拟。采用刚柔耦合的多体动力学模型,分析了Spar型浮式风机的涡激运动特性,并针对锁频现象对涡激运动的影响进行了研究。考虑风浪流的共同作用,建立Spar型浮式风机考虑涡激、波激、空气动力载荷及系泊系统联合作用的非线性耦合运动的数值模型,计算了当涡激频率相近于Spar型基础横荡固有频率发生涡激共振时,风机的运动响应,分析了涡激力对Spar风机运动响应的影响和风浪对涡激运动的影响。针对海上浮式风机的不同作业状态,对额定工况和最大作业工况下浮式风机的动力响应进行了对比分析,模拟了不同的流向角对Spar型浮式风机的动力响应的影响。研究结果表明,发生锁频现象时,流致涡激力会对Spar型浮式风机的运动产生很大的影响,主要表现在会大幅度增加横荡和首摇的运动幅度,而对纵荡和纵摇的运动有所抑制,涡激力的存在引起系泊张力增加。而风浪流联合作用下,流向角的变化也会激发Spar型浮式风机更大的纵荡运动响应。

关键词：浮式水平轴风机涡激载荷水动力涡激运动耦合动力响应

海流作用下潜标及其系留系统耦合作用的实验研究

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海流作用下潜标及其系留系统耦合作用的实验研究

作者：田伟辉中国海洋大学

学位级别：硕士

上世纪五十年代由美国率先发展起来的潜标系统又称为水下浮标系统，是通过系缆固定于特定海域和水深进行工作的。它具有观测周期长、隐蔽和稳定性能好、不易受海面气象水文条件影响、能进行定点及多参数剖面观测的优点。如今潜标系统作... 详细信息

上世纪五十年代由美国率先发展起来的潜标系统又称为水下浮标系统，是通过系缆固定于特定海域和水深进行工作的。它具有观测周期长、隐蔽和稳定性能好、不易受海面气象水文条件影响、能进行定点及多参数剖面观测的优点。如今潜标系统作为一种新型载体，被广泛应用于海洋地质活动观测、海洋水文以及水下探测等方面，对于人类认识和发展海洋起着举足轻重的作用。与大型浮体或者浮式海洋结构物不同，海流作用下潜标-系留系统的耦合动力响应有着其自身的特点。对于潜标系统而言，由于其质量和体积相对较小、净浮力有限，不能简单把潜标体的运动作为缆绳的边界条件，缆绳在受到海流作用时会对潜标体产生较大的影响。当二者耦合动力响应过大时会导致潜标所载测试设备无法正常工作，从而影响所获取数据的正确性和可靠性。本文主要针对海流作用下，某单点绷紧式系泊潜标系统振动响应过大，导致其所载测试装置无法正常工作的问题，在分析所载设备过载条件的基础上，对标体振动响应过大的原因进行初步分析和推测。根据推测和分析设计实验方案进行海上现场实验验证，通过对现场测试数据的分析得到了该潜标系统的耦合动力特性。分析发现，海流作用下系缆产生的横向涡激振动所引起的系缆垂向伸缩是导致潜标振动的主要原因。同时还得出导致所载测试设备无法正常工作的主要原因是潜标体的垂向振动强度过大。根据现场测试所得结果，作者进一步设计了水池试验方案并制作加载系统，用以模拟海流作用下缆绳对潜标体的激励作用。同时在缆绳与标体间加入弹性连接件，通过改变连接件刚度和潜标体的净浮力等参数，对该潜标系统进行减振优化探讨。分析不同参数与潜标体振动响应的关系，得到了满足潜标系统所载测试设备对载体振动响应要求的具体参数，其所采用的研究方法及得出的结论为其他同类潜标系统的减振优化提供了借鉴。

关键词：潜标系统耦合动力响应减振优化现场测试水池试验