基于能量传递规律的海洋立管涡激振动抑制研究

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要因素, 抑制振动能够保障结构安全, 延长使用寿命. 多数涡激振动抑制方法基于干扰流场的方式, 但在复杂环境条件下, 仅通过干扰流场对振动的抑制效果有限. 因此, 从结构层面考虑开展了海洋立管涡激振动抑制研究. 基于能量传递的理论, 阐述了立管涡激振动过程中的能量传递规律. 振动能量以行波形式由能量输入区传播至能量耗散区, 主要在能量耗散区被消耗. 通过局部增大能量耗散区的阻尼, 增加振动能量在传播过程中的消耗, 实现涡激振动抑制. 为了求解立管涡激振动响应, 构建了尾流振子预报模型, 并根据实验结果验证了理论模型的可靠性. 基于理论计算得到的能量系数, 判定立管涡激振动的能量输入区和能量耗散区. 通过对比立管增大阻尼前后的响应, 分析了涡激振动抑制效果. 研究结果表明: 在能量输入区增大阻尼对涡激振动的抑制效果并不显著; 在能量耗散区增大阻尼使能量衰减系数达到临界值之后, 能够显著降低立管上部和底部的涡激振动位移; 当能量衰减系数超过临界值后, 继续增大耗散区阻尼对涡激振动抑制效果的提升不明显.      

不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界，避免生成复杂贴体网格及动网格，极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法，将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中，通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发，实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证，并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明，通过引入浸入边界模型，能够提高计算效率，并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。     

明渠层流近床面颗粒拖曳力研究

泥沙颗粒受到的拖曳力是泥沙运动的主要驱动力,而当前应用于计算流体力学-离散颗粒法(CFD-DPM)耦合模型进行水沙运动模拟的泥沙颗粒拖曳力公式均没有考虑明渠流底床边壁作用的影响。求解不可压缩Navier-Stokes方程,对明渠层流不同雷诺数条件下床面附近不同高度处颗粒所受拖曳力进行了模拟,根据模拟结果变化规律,提出了综合考虑床面和水流惯性对标准拖曳力影响的修正拖曳力计算公式。与常用的单颗粒标准拖曳力公式和考虑遮蔽效应的多颗粒拖曳力公式相比,采用本文修正公式得到的水沙作用力更接近高精度数值解,应用于CFD-DPM输沙模拟获得的输沙结果与输沙率公式结果一致,应用分析表明输沙模拟应当采用粗糙底床边界。     

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.     

并列双圆柱流致振动的不对称振动和对称性迟滞研究

对雷诺数Re = 100 间距比s/D = 2.5 和5.0 的并列双圆柱流致振动进行了数值模拟研究, 其中圆柱质量比m = 2.0, 折合流速U_r 在2.0~10.0 之间, 两圆柱仅能做横流向振动. 研究发现, 当间距比s/D = 2.5 时, 在折合流速4.4 < U_r< 4.8区间内, 两圆柱流致振动响应出现不对称振动现象, 在折合流速4.4 < U_r< 4.8 区间内, 两圆柱流致振动响应出现对称性迟滞现象; 而当间距比s/D = 2.5时, 圆柱流致振动响应与单圆柱涡激振动响应相似, 没有出现不对称振动和对称性迟滞现象. 在不对称振动区间内, 两圆柱的升、阻力参数也出现了不相等的情况. 此外, 当两圆柱不对称振动时, 圆柱间隙流稳定地偏斜向其中的一个圆柱; 相应地, 尾涡也出现了宽窄不等的模式. 窄尾流圆柱的振幅和升、阻力均较宽尾流圆柱的大. 通过对比不对称振动现象发生前后的尾涡模式, 对新现象的产生机制进行了阐述.      

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的抗爆性能

在水下爆炸冲击荷载作用下,结构动力响应较之静态荷载和地震荷载作用下要复杂得多。通过大 量的数值模拟,探讨了混凝土重力坝在水下爆炸冲击荷载作用下,大坝高度、库前水位对大坝抗爆性能的影 响,为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。数值计算中,构建了重力坝水下爆炸全耦合数值模型,并考虑 爆炸冲击作用下混凝土的高应变率效应。研究结果表明:对于混凝土重力坝,随着大坝高度的增加,大坝的抗 爆性能增强;库前水位对大坝的抗爆性能影响较大,通过降低库前水位可有效提高大坝的抗爆性能。     

土中爆炸作用下箱涵动力响应的SPH-FE耦合分析

采用SPH 与FE耦合的数值分析技术,SPH 法用于模拟爆破近域土体,FE法用于模拟远场土体 和钢筋混凝土箱涵,研究了土中爆炸作用下钢筋混凝土箱涵的动力响应。研究结果表明:箱涵损伤区域及损 伤程度与土中爆炸位置密切相关;不同爆炸位置下箱涵受力和变形规律存在较大差异,尤其是边墙中间位置, 受土体变形流动影响,爆炸位置的不同会引起明显的二次加载和拉压变化。SPH 与FE耦合分析技术可以满 足土中爆炸对结构物影响问题的计算效率和工程分析要求。     

防止温度应力下海底管线发生整体屈曲的工程措施研究

为减小油气输送难度和避免原油固化,石油、天然气通常在高温高压下输送．输送过程中的高温和高压导致海底管线中产生较大的附加应力,附加应力的不断累积造成管线发生整体屈曲．对于埋地的海底管线通常会产生竖向屈曲大变形而影响使用甚至破坏．因此,需对有可能产生整体屈曲的管线采取工程防护措施．结合我国海洋工程中管线常用的铺设及保护措施,对处于保护状态下管线由温度应力引起的整体屈曲特性进行理论分析和数值推导,对沟槽保护、沟槽掩埋保护以及压块保护措施的有效性进行了系统分析和对比．     

分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.     

用于CARS激发源的全光纤飞秒脉冲谱压缩

进行了基于光纤预啁啾和自相位调制的多模/单模组合式全光纤啁啾谱压缩研究.提出利用多模光纤模式估计群速度色散均值的方法,并将该估计值作为啁啾参量分析的计算参数,仿真计算了50/125μm折射率渐变多模光纤的群速度色散均值及其与单模光纤在不同长度比值下的光谱压缩效果.采用三种折射率渐变多模光纤进行实验,对比分析了折射率渐变多模光纤的芯径大小及其与单模光纤的长度比值对光谱压缩效果的影响.实验结果表明使用50/125μm折射率渐变多模光纤获得光谱最大压缩比为5.796,谱宽为2.243 nm,与理论仿真一致;使用105/125μm折射率渐变多模光纤,可进一步提高压缩比至152.941,输出谱宽为0.085 nm的光脉冲.将此脉冲用于相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测,理论光谱分辨率可达1.386 cm~(-1).