浸没式浮筒对系泊缆松弛-张紧特性的影响研究

为了研究浸没式浮筒对悬链线系泊缆松弛-张紧特性的影响,本文基于集中质量法建立了下端锚固、上端做简谐运动的带浮筒悬链线系缆运动微分方程。运用Newton-Raphson法和Howbolt差分法,求解了系缆的运动特性和动张力值。通过与无浮筒悬链线系泊系统的对比,分析了几种不同参数的浮筒对系泊缆松弛-张紧现象及冲击放大系数两个方面的影响。结果表明:附加一定大小的浸没式浮筒能有效抑制系泊缆松弛-张紧现象的出现,并且减小系缆运动过程中动张力的冲击放大系数;但当附加浮筒的净浮力过大时,在极端海况下,会助长系泊缆上端出现松弛-张紧现象,进而影响系泊物的稳定性。     

垂直轴自由变偏角水轮机的多体耦合数值求解方法

基于达朗伯原理建立了自由变偏角水轮机结构动力学模型,并结合粘性CFD方法,形成了一种用于分析自由变偏角潮流能水轮机水动力特性的多体耦合数值计算方法.将该方法与试验及非耦合算法进行了对比分析,并研究了自启动、流速变化和负载变化对水轮机性能的影响规律.研究表明:本文建立的数值计算方法能够有效模拟自由变偏角水轮机在各种非定常过程中的运动特性和动力特性.     

垂荡双气室振荡水柱波能装置水动力特性研究

振荡水柱(OWC)波能转换装置因其结构简单、便于安装维护等特点, 被公认为最具应用前景的波能转换技术. 本研究以垂荡式双气室OWC波能转换装置为研究对象, 借助开源代码平台OpenFOAM及基于interFoam求解器开发的造/消波工具箱waves2Foam, 采用流体体积法(VOF)捕捉自由面和六自由度(6DOF)动网格求解器模拟垂荡运动响应, 数值研究在不同入射规则波作用下, 前后气室相对宽度、弹簧弹性系数对装置捕能宽度比及水动力特性的影响规律. 通过与已有的固定情况下的双气室OWC装置结果对比, 并通过对比自由衰减运动响应验证动网格技术, 揭示了本研究中数值模型的合理性和有效性. 计算结果表明, 较宽的后气室结构布置有利于双气室振荡水柱装置在垂荡状态下的波能提取; 前后气室宽度比为1/2时, 垂荡式双气室OWC装置在测试波频段具有最优的捕能宽度比; 相较于固定状态, 垂荡装置的后气室在中高波频段有着更高的捕能宽度比; 装置前后气室内水柱与OWC装置垂荡运动间存在的相位差使得气室内水面相对振幅和相对压强在测试波频段存在多峰值现象, 进一步发现弹装置通过垂向弹簧进行相位控制, 可显著拓宽高效频谱带, 实现较大的捕能宽度比.      

拱形防撞装置摆锤碰撞试验及数值模拟研究

为了验证拱形桥梁拱形防撞装置船撞有限元结构计算中结构应变响应的准确性以及寻找计算中影响应变响应的因素,通过拱形防撞装置1:25比例模型摆锤碰撞试验以及有限元数值模拟进行对比验证分析.对拱形防撞装置1:25比例模型进行摆锤碰撞试验,采集试验中碰撞力和关键点的应变响应曲线,并对试验进行漂浮状态下无阻尼和有阻尼两种情况的数值模拟对比分析.分析发现无阻尼模型计算出的应变响应不论是响应趋势还是应变峰值点的大小都与试验相差较大.通过在有限元无阻尼模型中引入Rayleigh质量比例阻尼分析,试验采集到的应变峰值与有限元数值模拟分析出的应变峰值之间的误差约为8.7%,应变响应趋势也基本一致.因此,有阻尼计算模型可应用于实际结构的计算中,应变峰值误差也可作为实际结构应力计算结果评价的参考指标,并可将该误差作为工程安全系数的一部分来考虑.     

地形对岸式波能装置性能的影响研究

近岸带的海域、海底和海岸都是不规则的,会引起波浪的不规则变形、折射、绕射和反射,使得波能分布不均匀,可能会影响波能装置的性能.本文基于小振幅波理论假设,从线性势流理论出发,用边界元方法研究地形对岸式波能转换装置(以下简称岸式装置)的水动力性能的影响.计算结果表明,地形的影响是非常大的,不可忽略.一些带前港的地形对提高岸式装置的转换效率很有价值.本文理论对地形无任何限制,因而提供了一个在线性理论范围内模拟复杂地形条件下装置附近流场的方法,同时说明此计算方法对波能电站的设计和工程选址有一定的参考价值.     

即插即用式光纤陀螺/全站仪组合仪器常数标定方法

仪器常数标定是即插即用式光纤陀螺/全站仪组合定向技术的一个重要环节,其目的是标定出光纤陀螺敏感轴与全站仪水平度盘面平行时全站仪竖盘的读数。将全站仪与测试转台固连,并使全站仪竖轴与转台竖轴平行。利用测试转台的定速转动功能,在光纤陀螺敏感轴近似水平情况下,使转台带动光纤陀螺/全站仪组合装置分别做顺时针、逆时针定速转动,并每周采集陀螺输出数据偶数次。导出了计算光纤陀螺敏感轴与全站仪水平度盘面间夹角的公式,进而得到光纤陀螺敏感轴水平时的全站仪竖盘读数,并以此作为仪器常数。理论分析和实验测试均表明,利用市场上常见的测试转台,该参数标定精度可达5″以内。     

海洋重力辅助导航系统的系泊对准算法

捷联惯导系统在系泊条件下的初始对准是海洋重力辅助导航实用化的关键问题之一,本质上属于三轴姿态确定问题。基于惯性凝固假设,构建了船载捷联惯导系泊对准模型,研究了传统三轴姿态确定双矢量算法。对双矢量算法进行改进,提出了一种基于加权矢量和三轴姿态确定的系泊对准算法,该算法利用两个观测矢量的误差标准差构建加权系数,生成了精度更高的基准矢量,从而提高系泊对准的精度,并且该算法只需进行一次三轴姿态解算,保持了计算量小、耗时短的特点。数值仿真和船载试验结果表明,改进后的系泊对准算法在保证初始对准快速性的前提下有效提高了对准精度,两个水平姿态角误差小于4′,航向角误差在10′左右,满足海洋重力辅助导航系统的应用需求。     

某结构的多轴随机振动实验研究

通过对某结构开展多轴随机振动试验研究,初步探讨了典型线性结构在多轴随机振动试验中的动力响应特点.首先对多轴振动试验系统、试验条件、控制方式等进行了介绍;然后通过有限元仿真了解结构的自振频率、振型和响应情况;重点对结构的多轴随机振动试验结果进行研究,具体分析了结构各测点加速度响应谱的共振峰特点;最后将多轴试验结果与单轴试验结果进行对比,并理论上解释了多轴随机振动响应不同于单轴振动的原因.研究结果表明:多轴振动试验能同时激发结构在不同方向的模态,使动力响应表现出比单轴振动更为丰富的共振峰,因此对经受多轴振动环境的产品开展多轴振动试验很有必要.     

潮流能发电平台的水动力特性及动力响应分析

运用水动力学软件AQWA对潮流能发电平台进行了频域分析,得到不同重心高度、不同水深、遭遇不同浪向角条件下平台各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。再对平台进行了风浪流联合作用下的时域耦合分析,研究不同系泊角度对平台运动响应和系泊缆张力的影响。计算结果表明:纵荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而逐渐减小,横荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而增大,纵荡、横荡上主要表现为与波浪的低频共振,浪向角较小会产生较大的垂荡运动、纵荡运动、纵摇运动,浪向角较大会导致较大的横摇运动;水深小于10m时,海底对波浪的反射作用对平台纵荡和艏摇运动影响比较明显;小范围内的重心高度变化对平台各自由度幅值响应算子影响较小。当系泊角度为45°时,系泊系统对平台运动响应的控制更好,且此时系泊系统的安全系数最大,主要系泊缆受力更加合理,平台更安全。     

大型浮顶式储油罐的爆炸破坏机理实验

利用可燃气体爆轰实验装置,通过乙炔/空气混合气体沿管道稳定爆轰后形成的冲击波对浮顶式储油罐模型的冲击实验,分别测得模型壁面上的超压荷载、动态应变及振动加速度时程曲线.通过对比分析,研究了大型浮顶式储油罐在爆炸冲击荷载作用下的动态响应特性及其破坏机理.在可燃气体爆炸荷载作用下,储罐结构在变形过程中诱发罐内液体产生压缩波并...     

Capturing the experimental behaviour of a point-absorber WEC by simplified numerical models

The paper presents a wave basin experiment of a direct-driven point-absorber wave energy converter moving in six degrees of freedom. The goal of the work is to study the dynamics and energy absorption of the wave energy converter, and to verify under which conditions numerical models restricted to heave can capture the behaviour of a point-absorber moving in six degrees of freedom. Several regular and irregular long-crested waves and different damping values of the power take-off system have been tested. We collected data in terms of power output, device motion in six degrees of freedom and wave elevation at different points of the wave basin. A single-body numerical model in the frequency domain and a two-body model in the time domain are used in the study. Motion instabilities due to parametric resonance observed during the experiments are discussed and analysis of the buoy motion in terms of the Mathieu instability is also presented. Our results show that the simplified models can reproduce the body dynamics of the studied converter as long as the transverse non-linear instabilities are not excited, which typically is the case in irregular waves. The performance of the more complex time domain model is able to reproduce both the buoy and PTO dynamics, while the simpler frequency domain model can only reproduce the PTO dynamics for specific cases. Finally, we show that the two-body dynamics of the studied wave energy converter affects the power absorption significantly, and that common assumptions in the numerical models, such as stiff mooring line or that the float moves only in heave, may lead to incorrect predictions for certain sea states.     

Numerical analysis of finite amplitude motion of waves and a moored floating body under severe storm conditions

The motion of a moored floating body under the action of wave forces, which is influenced by fluid forces, shape of the floating body and mooring forces, should be analysed as a complex coupled motion system. Especially under severe storm conditions or resonant motion of the floating body it is necessary to consider finite amplitude motions of the waves, the floating body and the mooring lines as well as non-linear interactions of these finite amplitude motions. The problem of a floating body has been studied on the basis of linear wave theory by many researchers. However, the finite amplitude motion under a correlated motion system has rarely been taken into account. This paper presents a numerical method for calculating the finite amplitude motion when a floating body is moored by non-linear mooring lines such as chains and cables under severe storm conditions.     

圆形重力式网箱锚碇系统的受力研究

依据Stokes二阶波浪理论和莫里森(Morison)方法,对圆形重力式网箱的浮架结构分别与工程上常用的两种锚碇系统(折线形与直线形)相结合情况下,锚碇系统的受力进行了数值计算及相应的物理模型试验。结果表明相同波况下折线形锚碇系统承受张力较小,在相同波浪周期条件下,波高越大锚碇点受力越大;相同波高下,锚碇点最大受力随周期变化不显著。将计算结果与模型试验对比,结果显示计算数值与试验数据较接近,表明了此计算方法的可行性,为进一步模拟浮架结构的运动变形打下基础。     

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.     

关于传递矩阵法分析饱和成层介质响应问题的讨论

水平成层土体的地震响应分析(自由场分析)是地震工程领域地震波散射问题的前提基础,由于饱和多孔方程的复杂性,以往的研究大多集中于干土情形,对于饱和土情形的研究相对较少.而实际工程中,地下水位以下,土体孔隙中充满流体,应考虑饱和多孔介质模型.基于Biot多孔介质模型,考虑饱和土中固液相对运动引起的衰减,采用Thomson--Haskell传递矩阵方法得到了饱和成层土体在地震波入射情形时的稳态反应,经傅里叶反变换,可得到时域暂态反应.通过SV波从基岩入射至上覆饱和土层的数值算例,验证了该方法的有效性.发现和初步阐明了计算中出现的两类违背因果律(即响应先于输入)的现象:(1)当SV波入射角度大于导致基岩中反射P波为非均匀波的临界角时,会使得计算结果违背因果律.因此,当入射角超过临界角时,非均匀波的表示尚需进一步完善;(2)由于P2波的衰减,当与稳态波衰减有关的渗透率、土层厚度、入射波频率等参数导致衰减系数超过计算机表示精度时,会出现结果违背因果律现象,并据此得到了满足因果律的参数范围,该范围可作为实际计算时的一个上界.该工作为采用传递矩阵法分析水平饱和土层自由场响应提供了指导依据,且地下水位以上可采用干土模型,水位以下采用饱和土模型,更符合实际情形.     

Nonlinear network modeling of multi-module floating structures with arbitrary flexible connections

Multiple floating modules connected by flexible connectors can be viewed as a network structure. A standard modeling process for multi-module floating structures in arbitrary topology is presented by using network theory. A three-dimensional model is developed using the linear wave theory, dynamic model of single floating module, constitutive model of flexible connectors and model of a mooring system. As a typical application, a floating airport model is established and further its nonlinear dynamic responses and connector loads are analyzed. Numerical results show that the traditional linear analysis may underestimate the actual results. The methodology applied in this paper is extensible to many engineering problems with network structures alike.     

Analysis of hydrodynamic behaviors of multiple net cages in combined wave–current flow

Numerical simulation is performed to analyze the hydrodynamic response of a net cage and submerged mooring grid system exposed to waves and current. A series of experiments are conducted to validate the numerical model of net cage and grid mooring system. The numerical results of this model correspond with those obtained from experimental observations. Then, the numerical simulation of a multi-cage and mooring system under the action of waves combined with current is conducted. The influence of waves and current directions and the length of grid lines on the cage responses are discussed. The twin mooring system and the orthogonal mooring system are compared. Results show that for the orthogonal mooring system, the maximum tension force on the anchor line of the four-cage system is less than four times of that of the single-cage system, when both waves and current travel along the x-axis. The minimum net cage volume holding coefficient of the single-cage system is smaller than that of the four-cage system. The amplitude of the mooring line tension force for the twin mooring system is larger than the orthogonal mooring system.     

线性黏弹性球面波的特征线分析

基于ZWT黏弹性本构方程建立了体现高应变率效应的黏弹性球面波的控制方程组,包含5个偏微分方程,解5个未知量v、σr、σθ、εr和εθ。采用特征线法,问题转化为解3族特征线上的5个常微分方程,物理上图像清晰,数学上易于求解。特征线数值分析显示,黏弹性球面波的衰减和弥散效应超过线弹性球面波。球面扩散引起的环向拉应力是导致介质拉伸破坏的主因。进一步还针对强间断黏弹性球面波得出其衰减特性的解析表达式,表明这种更强的衰减特性是几何扩散效应和本构黏性效应两者共同作用的后果。