Experiments on the interaction of internal waves with the semi-submersible platform in a stratified fluid

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题 进行了模型试验研究. 采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了 测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系. 利用激光和倾角仪方法对半潜平 台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之 间的相关关系. 结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽 视的. 特别地,发现了在内波周期的某个范围内, 半潜平台的纵荡和纵摇都会出现 倍频周期运动响应的现象.     

半潜式海上浮式风机气动阻尼特性研究

由于海上漂浮式风机具有较大的支撑平台运动,气动阻尼效应对海上漂浮式风机的运动响应带来了重要的影响, 日渐受到相关国内外学者的关注. 为了研究海上浮式风机的气动阻尼特性,本文推导了海上浮式风机气动阻尼力的数学模型,并借助模型实验和数值计算的方法,研究了半潜式海上浮式风机的气动阻尼特性及其作用规律. 结果表明,浮式风机的风轮旋转时的气动阻尼比风轮非旋转状态时更加明显;在作业工况下,气动阻尼对半潜式浮式风机平台的纵荡、纵摇、机舱的运动有明显的抑制作用,且主要体现为对半潜式浮式风机的平台运动固有频率响应的抑制作用,对波频范围的平台运动作用甚微. 其变化规律与风速大小、波浪载荷等有关,在风机的额定工况之前,气动阻尼通常与风速呈正相关关系,但是增长率有逐渐减小的趋势;在控制系统作用下,当入流风速接近或超过风机额定风速时,容易出现气动负阻尼现象,反而进一步强化浮式风机的运动响应,此时通过降低变桨距控制器的比例系数,即降低变桨距控制器的灵敏度,有助于增加海上浮式风机的气动阻尼效果,并且在一定程度上减缓负的气动阻尼的发生,改善海上浮式风机的运动响应.      

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。     

螺旋侧板和水深对浮式风机动态响应的影响

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,提出平台附加螺旋侧板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到不同水深条件下,风力机平台在风、浪、流载荷联合作用下的频域特性,通过与不附加螺旋侧板情况下的动态特性参数对比,探讨螺旋侧板是否对结构的频响特性起到提升作用。结果表明,附加螺旋侧板后,结构的垂荡和纵摇的运动幅值和所受波浪力均得到了显著抑制;与纵荡和纵摇相比,垂荡运动的幅值和所受波浪力所受影响更显著;水深变化对结构响应的幅值有着显著影响。     

分层流体中运动源生成的内波研究进展

针对两类密度分布模型------连续分层流体和间断分层流体, 综述了在运动潜体生成的Kelvin型和非Kelvin型内尾迹研究方面的现状, 内容侧重于运动源生成内波的解析理论和分层拖曳水槽中内尾迹实验方面的研究成果. 介绍了在连续分层流体中运动源生成的Kelvin型非线性内波的一般方程和在间断分层流体中Kelvin型内波的势流分析的一般方法; 概述了运动源诱生的先锋内孤立子、代数孤立子和平孤立波3类特殊非线性内波的研究进展, 其中运动潜体生成的平孤立内波被作者实验证实是一类极限孤立波, 并首次建立了共轭流动模型予以描述; 综合分析了在密度线性分布流体中潜体运动生成内波的动力学过程多样性特征, 其中包括内尾迹近场和远场的时空结构、不稳定结构、涡旋与湍流耦合结构以及湍流与内波相互作用结构等.      

深海多立柱浮式平台涡激运动特性研究

基于不可压缩纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程和改进的延迟脱体涡模拟方法(improved delayed detached edd ysimulation method,IDDES),数值研究了深海多立柱浮式平台在海流作用下的涡激运动响应特性.以张力腿平台为对象,计算了该平台在0°,22.5°和45°流向角下的横向和艏摇涡激运动响应,分析了涡激运动响应幅度、频率比随约化速度的变化规律,研究了涡激运动响应能量的分布趋势.数值预报结果与模型实验数据吻合良好,证实了数值模型的有效性;研究发现,当约化速度介于7.0和14.0之间时,横向运动发生锁频,运动幅值稳定在0.2D~0.4D(D为立柱宽)之间,而艏摇涡激运动和约化速度呈线性递增关系;在横向运动锁频区间内,由于艏摇激振力矩主要受升力主导,艏摇频率与横向运动频率相同;相对于0°来流,22.5°和45°流向下的涡激运动频率更高,但艏摇运动能量仅为0°流向角下的10%.基于计算结果,进一步分析了多立柱平台涡激运动中的三维流场结构.      

传统Spar平台垂荡主共振时非线性耦合响应的研究

考虑瞬时波面影响,建立了Spar平台垂荡-纵摇运动的参数激励耦合运动方程,应用多尺度法导出了波浪频率接近垂荡固有频率时响应方程的一阶摄动解并做数值验证。计算结果显示:当波浪高度达到一定值时,纵摇运动中出现大量的亚谐频率成分;随着波浪高度进一步增大,纵摇运动将出现明显的幅值跳跃现象。研究结果表明,能量渗透现象是纵摇运动失稳的主要原因,波浪激励力矩对于纵摇本身的贡献很小。由于垂荡模态存在能量饱和现象,多余的垂荡能量将会向纵摇模态转移,导致出现大幅值的纵摇运动。     

内孤立波作用下潜深对潜体运动响应和载荷特性的影响研究

内孤立波常发生于海洋密度跃层, 因其峰高谷深、携带能量巨大, 在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态, 并引起突发性的强流. 潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波, 由于内孤立波的流场特性, 置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同, 甚者会出现掉深现象. 为探究潜深对波体耦合作用的影响, 基于不可压缩N-S方程和mKdV理论, 采用速度入口造波, 结合重叠网格技术和流固耦合方法, 建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型, 通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性. 结果表明: 在内孤立波作用下, 位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动, 先下沉后抬升, 位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉; 潜体与波面的垂向距离越小, 对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著, 而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动, 其运动响应和载荷变化受影响较小; 潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反, 水平力峰值小于垂向力峰值, 且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩, 最终导致掉深.      

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE EVOLUTION OF INTERNAL SOLITARY WAVE OVER A RIDGE AND ITS ACTING FORCES ON A SUBMERGED SLENDER BODY

内孤立波沿山脊地形传播过程中的结构变化使得影响海洋结构物及水下航行器安全的不确定因素增加,用大型重力式分层流试验水槽系统研究内孤立波过山脊地形及其对细长潜体作用力特性,可有效提高对其危害性机理的认识.为此,利用电导率探头阵列,结合染色标识方法,测量内孤立波演变特性,同时利用三分量传感器测量水下细长体模型受力特性.研究结果表明：山脊地形显著改变下凹型内孤立波结构,表现为坡前波幅增大,坡顶背风波面抬升,坡后波长变长;内波结构变化直接影响细长体受力特性,表现为坡前向下作用力明显增强,坡顶向上作用力突显,坡后作用力持续时间变长;细长体受力特性变化影响其运动趋势,坡前下沉运动增强、朝山脊方向纵荡运动显著.     

过山脊内孤立波演变及其对细长潜体的作用力特性

内孤立波沿山脊地形传播过程中的结构变化使得影响海洋结构物及水下航行器安全的不确定因素增加,用大型重力式分层流试验水槽系统研究内孤立波过山脊地形及其对细长潜体作用力特性,可有效提高对其危害性机理的认识.为此,利用电导率探头阵列,结合染色标识方法,测量内孤立波演变特性,同时利用三分量传感器测量水下细长体模型受力特性.研究结果表明:山脊地形显著改变下凹型内孤立波结构,表现为坡前波幅增大,坡顶背风波面抬升,坡后波长变长;内波结构变化直接影响细长体受力特性,表现为坡前向下作用力明显增强,坡顶向上作用力突显,坡后作用力持续时间变长;细长体受力特性变化影响其运动趋势,坡前下沉运动增强、朝山脊方向纵荡运动显著.