斜坡堤護面塊體安放過程及穩定性數值模擬

李紹武，王家漢，柳　葉

（天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300350）

摘　要：利用基于光滑粒子流體動力學（SPH）數值方法的開源軟件DualSPHysics進行數值試驗，模擬斜坡式防波堤上扭王字護面塊體的安放過程，研究護面塊體的穩定性。首先以DualSPHysics為平臺開發了護面塊體的安放功能模塊，并對護面塊體的安放效果進行評價，實現了按指定安放密度進行塊體安放。塊體安放完成后，在數值波浪水槽中研究護面塊體在規則波作用下的運動及受力響應，并分析護面塊體失穩的典型形式和失穩標準，通過系統化的參數分析，探討波浪要素及塊體安放等因素對塊體穩定性的影響。結果表明，扭王字塊體穩定性系數的取值范圍為21.64 ~ 26.20，是規范推薦值的1.5倍左右。塊體鼻軸方向的相對位置主要影響單個塊體的上舉脫出失穩，鼻軸方向在坡面上赤平投影圖越分散，護面塊體層整體上越穩定。坡面坡度變緩時，護面塊體層整體下滑趨勢減弱，但更易發生上舉脫出失穩；單個塊體缺失會加大周圍塊體的上舉失穩概率。

關鍵詞：DualSPHysics模型；扭王字塊體；安放；塊體穩定性；防波堤

扭王字塊體斜坡堤越浪量的數值研究

孫大鵬1，孫文豪2，修富義3，劉　飛4

（1. 大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連　116024；2. 水發規劃設計有限公司，山東 臨沂　276037；3. 沈陽吉天置業有限公司，遼寧 沈陽　110165；4. 長春中海地產有限公司，吉林 長春　130117）

摘　要：鑒于《港口與航道水文規范》（JTS145—2015）中缺少扭王字塊體斜坡堤越浪量的計算方法，因此開展相關的試驗研究對規范發展和工程設計具有重要意義。在基于FLUENT軟件的數值模型中，通常采用多孔介質區中的系數C來模擬斜坡上扭王字塊體的消浪作用，而確定每種工況系數C的取值是實現數值模擬斜坡堤越浪量的關鍵。借助物模試驗率定出所有工況的系數C，通過單一變量分析，發現C值隨波陡、相對水深、相對坡肩寬度及相對塊體尺寸的增大而增大，隨相對堤頂超高及相對胸墻高度的增大而減小，綜合以上影響因素，得出不同坡度下系數C的計算關系式。研究成果不僅豐富了規范內容，還為相關的工程設計提供了參考。

關鍵詞：坡度；扭王字塊體；斜坡堤；越浪量；FLUENT

軟剛臂單點系泊系統靜力特性分析

李　鵬1，孫麗萍1, 2，馬　剛1, 2, 3，馬榮太4，王宏偉1, 2

（1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱　150001；2. 工業和信息化部深海工程裝備與技術重點試驗室，黑龍江 哈爾濱　150001；3. 哈爾濱工程大學煙臺研究院，山東 煙臺　265501； 4. 中海油研究總院有限責任公司，北京　100028）

摘　要：軟剛臂系泊系統是一種利用壓載質量為浮式生產儲油裝置（FPSO）提供回復力的單點系泊方式。為快速準確地評估多鉸接組成的軟剛臂系統的受力狀態，避免應用高復雜度的有限元軟件，進而快速完成優化設計等任務，建立一種靜力計算方法十分有必要。因此，針對由剛臂（YOKE）、柔性系泊腿和壓載艙組成的剛柔多體系統，以分解組合的方式，提出一種二維靜力計算方法，用以研究FPSO軟剛臂系泊系統的靜力特性。該方法主要依靠軟剛臂的幾何構型，在有限鉸接約束下，形成非線性靜力平衡方程，建立了壓載艙式水上軟剛臂單點系泊系統二維靜力平衡計算算法。采用OrcaFlex、SESAM等軟件開展了理論和數值對比分析，同時與系泊試驗結果開展驗證分析。對比結果表明，文中所提方法計算精度較高，可為軟剛臂單點系泊系統的研究提供可靠支持。

關鍵詞：浮式生產儲油裝置；單點系泊；軟剛臂；靜力特性；數值

柔性氣囊助浮法拆除導管架技術研究

馮士倫1, 2，朱曉宇1, 3，李　焱1, 2，唐友剛1, 2

（1. 天津大學 建筑工程學院，天津　300350；2. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300350；3. 中國船級社青島分社，山東 青島　300457）

摘　要：文中研究采用柔性氣囊助浮法起升導管架的拆除技術。淺水海域浮吊進入困難并且拆除導管架的施工費用昂貴?？紤]氣囊產生的浮力巨大、價格便宜及連接結構方便的特點，針對即將拆除的QK18-2 平臺，設計氣囊助浮起升導管架的技術方案?？紤]水深確定導管架吃水，設計氣囊與導管架的連接方式。針對導管架在位起浮狀態，計算帶有氣囊的導管架系統幅頻響應RAOs，考慮不同的海洋環境參數，計算分析風浪流作用下導管架系統6個自由度的時域運動響應，文中提出了多點系泊控制導管架運動的合理系泊方式。研究結果表明，氣囊助浮法拆除導管架技術具有較高的工程實用價值，針對目標導管架平臺設計的氣囊助浮拆除技術方案，具有費用低、風險小及不需使用浮吊的技術優勢，該項技術可以在導管架平臺拆除中推廣應用。

關鍵詞：導管架；氣囊助浮法；穩性；垂蕩；橫搖

自升式鉆井平臺樁靴踩腳印應對措施對比研究

楊　柳1，賀林林1, 2, 3，馮楚杰1，劉旭菲4

（1. 重慶交通大學 河海學院，重慶　400074；2. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；3. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶　400074； 4. 浙江水利水電學院 水利與環境工程學院，浙江 杭州　310018）

摘　要：基于現有規范與文獻研究提出的減小樁靴踩腳印附加響應的相關措施，首先基于耦合歐拉—拉格朗日（CEL）定量分析了傳統紡錘形樁靴與新型樁靴在不同工況條件下插樁時樁靴地基土體相互作用機制，明確了最不利樁靴踩腳印工況時的插樁偏心距與樁坑深度?；谠撟畈焕r條件，對比分析了新型六孔蓮蓬形樁靴、試踩法與地基鉆孔法3種樁靴踩腳印應對措施的適用性與有效性。結果表明，相較于傳統紡錘形樁靴，采用六孔蓮蓬形樁靴使樁靴傾斜角與樁腿偏移距分別降低了33.13%和48.26%，說明結構在位穩定性更高。此外，通過對比分析得出，采用最佳設置方式進行試踩與鉆孔處理后再進行樁靴貫入時，樁靴受到的水平滑動力峰值與樁腿RP1處彎矩峰值相較于未處理時分別降低了29.47%、29.17%、34.7%、37.7%?？梢?，3種應對措施均能有效降低樁靴踩腳印后產生的不利影響，提高樁靴結構的在位穩定性。以最終減小不利附加響應程度作為評定標準：地基鉆孔法＞新型六孔蓮蓬形樁靴＞試踩法，由于地基鉆孔法與試踩法均需增設額外機械設備及施工工序，大幅提高了工程造價，因此，在實際工程中，需要根據實際情況恰當選擇應對措施。研究成果可為實際工程中應對樁靴踩腳印工況響應提供一定參考與借鑒。

關鍵詞：踩腳印工況；新型樁靴；VHM曲線；試踩法；地基鉆孔法

基于多尺度有限元的海上升壓站腳靴式樁套筒連接結構分析研究

張　偉1，張　坤1，姜貞強2, 3，孫震洲2, 3，王永發2, 3，呂國兒2, 3，陳杰峰3

（1. 華能遼寧清潔能源有限責任公司，遼寧 沈陽　110000；2. 浙江省深遠海風電技術研究重點實驗室，浙江 杭州　311122；3. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州　311122）

摘　要：腳靴式海上升壓站導管架的樁套筒與主導管的連接結構是關鍵荷載傳遞部位。整體梁系有限元模型無法反應局部板型結構的失效狀態；截斷板系有限元模型則受制于邊界條件的合理性，結果不夠精確。文中基于某工程海上升壓站，建立不同精細化范圍的多尺度有限元模型及不同邊界條件的截斷模型，對結構屈服失效及屈曲失效復核的同時論證了局部網格

對計算精細程度的影響及截斷模型對邊界條件的敏感性；此外，研究了軛板板厚及應力比對屈曲失效的敏感程度，為今后海上升壓站腳靴結構不同階段的設計、優化提供參考和借鑒。

關鍵詞：多尺度有限元；海上升壓站；截斷有限元；屈曲失效；邊界條件

基于ABAQUS的卷管式鋪管法管道變形敏感性分析

余　楊1, 2，劉澤生1, 2，余建星1, 2，韓夢雪1, 2，胡少謙1, 2，許偉澎1, 2，張春迎1, 2，顏鎧陽1, 2，徐盛博1, 2

（1. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072；2. 天津大學 天津市港口與海洋工程重點實驗室，天津　300072）

摘　要：卷管式鋪管法在海管鋪設中的應用愈發廣泛，在鋪設作業中管道會發生幾何非線性變形，導致出現復雜的力學性能變化。針對管道在上卷、退卷過程中的屈服變化過程，通過彈塑性理論進行分析，推導出管道退卷后殘余軸向應力的解析解；隨后利用有限元軟件ABAQUS建立模型實例，對比解析解與有限元模型，兩者的計算結果基本吻合?；谏鲜鲇邢拊Ｐ?，研究上卷時的張力和退卷時的后張力對橢圓度、截面軸向應力和剪切應力的影響，并進行敏感性分析。模擬結果表明張力和后張力變化會影響管道截面的變形程度，退卷后截面上殘余的軸向應力遠高于剪切應力，并且通過敏感性分析，得到了殘余橢圓度、殘余應力隨張力和后張力變化的規律。研究可為卷管鋪設過程中張力和后張力的選擇提供參考和借鑒。

關鍵詞：卷管式鋪管法；彈塑性分析；有限元模擬；張力；后張力；橢圓度；應力

細長輸流管內外流耦合振動特性研究

鮑　健1, 2，陳正壽1

（1. 浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山　316022；2. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島　266100）

摘　要：管內流動會影響輸流管的振動響應，目前關于輸流彈性管渦激振動方面的研究較少?；谟嬎懔黧w力學（CFD）方法，開展內外流對細長輸流彈性管振動特性影響的研究。首先在不考慮內流的情況下將彈性管渦激振動數值預報結果與模型試驗數據進行對比，驗證了數值方法的可靠性。再者考慮內外流耦合作用情況下，對不同內流流速下細長輸流彈性管振動位移時—空分布、順流向最大平均偏移、振動軌跡、內部橫向渦的形成與分布等進行了對比分析。結果發現，與外流流速相比，內流流速的增加雖然難以改變彈性管的主振模態，但對沿管體的振動強度影響顯著。順流向最大偏移處管體運動軌跡發生明顯的變形和跳躍。在剪切外流和均勻內流對彈性管的聯合作用下，沿管跨方向模態間能量轉換頻繁，伴隨著間歇性出現或消失的沿彈性管傳播的行波組分，這主要歸因于復雜的雙重流固耦合系統（外流—管體，內流—管體）。在內流以附加質量力、離心力和科氏力形式的激勵下，彈性管內二次流現象明顯。在振動過程中，內部橫向渦沿管壁生成、脫落并逐漸散布于整個橫截面。

關鍵詞：渦激振動；內流；流固耦合；二次流；彈性管

海上大直徑鋼管樁打樁過程中樁周土強度弱化研究

孟祥然1，劉　潤1，練繼建1，賈沼霖2，劉玉飛3，王小合3

（1. 天津大學 建筑工程學院，天津　300350；2.  河北工程大學，河北 邯鄲　056038；3. 華電重工股份有限公司，天津　300010）

摘　要：海上大直徑鋼管樁打樁過程中，樁周土體受到強烈擾動而發生強度弱化，掌握樁周土體強度弱化規律對于準確預測打樁過程、保證工程安全具有重要意義。為研究土體強度弱化規律，開展了環剪試驗模擬打樁對樁周土體的擾動，測試土體強度隨剪切速率的變化規律，建立了描述土體強度弱化規律的擬合公式，引入到打樁分析軟件中。研究結果表明：土體的強度折減程度不僅與土體本身的性質有關還受到土體的埋深和剪切速率的影響，埋深越深土體強度折減程度越低，剪切速率越高土體強度折減越高，在打樁分析中可采用這里推薦的線性折減方法來模擬不同深度處土體強度的折減規律。

關鍵詞：海上風電；大直徑鋼管樁；打樁分析；土體強度弱化；線性折減方法；殘余比

基于IDDES方法的沖刷地形海底管道繞流數值模擬

曲孟祥1，楊　博1，梁丙臣1, 2，劉　欣1，張　嶔1

（1. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島　266100；2. 山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島　266100）

摘　要：近年來，海底管道對于近海油氣工業中碳氫化合物的運輸十分重要，預測海底管道周圍水動力特征對于研究管道損壞機理具有重要意義?；赟palart-Allmaras改進延遲分離渦模擬（improved detached eddy simulation，簡稱IDDES）湍流模型，利用開源OpenFOAM求解器計算單管沖刷過程中4個特征階段管道周圍水動力特征。在數值模擬中先計算了無圓管時均勻來流充分發展后的流場，依據該流場中進口流速分布設定有管道時的邊界層及進口邊界條件。通過將最終模擬結果與前人試驗數據及數值模擬結果進行對比，表明了該模型計算結果相對于k-ε 模型及LES模型更加貼合試驗結果，驗證了定義邊界層方法的可靠性及OpenFOAM模型在預測管道周圍流場的適用性。模型計算結果顯示，隨著沖刷坑深度的逐漸增加，管道下游回流區會經歷一個大幅縮減又逐漸擴大的過程，且逐漸關于圓管中心所在水平線對稱；通過對不同沖刷階段尾渦形態的分析表明，沖刷前期并沒有渦脫產生，中期已經有產生渦脫的趨勢，后期出現了明顯的且較為穩定的渦脫。

關鍵詞：海底管道；沖刷；邊界層；旋渦脫落；IDDES；OpenFOAM 

集成于方箱防波堤的雙氣室振蕩水柱波能裝置轉換效率研究

郭權勢1, 2，鄧爭志1, 2，萬占鴻2

（1. 水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙　410014；2. 浙江大學 海洋學院，浙江 舟山　316021）

摘　要：為實現建造、運行和維護等方面的資源共享，將振蕩水柱（oscillationg water column，簡稱OWC）波能轉換裝置與現有海工結構集成耦合，已成為目前海洋波浪能轉換利用的熱點問題。以集成于方箱防波堤的雙氣室OWC裝置為研究對象，借助開源代碼平臺OpenFOAM和造/消波工具箱waves2Foam，采用流體體積法（VOF）捕捉自由面和6 自由度（6DOF）動網格求解器模擬垂蕩運動響應，對在不同規則波作用下，中墻相對寬度、中墻相對吃水對裝置波能轉換效率及水動力特性的影響進行數值研究。結果表明，較大的中墻相對寬度能夠增強裝置的波能轉換效率（ξtotal(max)=73%）、降低結構物的相對垂蕩位移并對裝置前后氣室內水柱的振蕩幅度與壓強變化產生影響；增加中墻相對吃水能顯著提高氣室在中高頻波段波能提取效率（ξtotal(max)=78%），并顯著拓寬氣室的高效頻率帶寬（0.9≤ω2h/g≤2.2）。

關鍵詞：波浪能；振蕩水柱；水波動力學；波能轉換效率；動網格

波浪作用下基于不同負載的一種Savonius型水輪機捕能性能研究

黃炎晨1, 2，黃方平2，劉　靜1

（1. 江西理工大學，江西 贛州　341000；2. 浙大寧波理工學院，浙江 寧波　315100）

摘　要：通過水輪機捕能是當前常用的海洋能利用方式之一。槳葉作為水輪機關鍵部件，其性能一直是研究的重點。針對目前波浪條件下帶負載運轉的Savonius型水輪機相關捕能性能研究較少的情況，采用數值仿真方法，結合對應工況條件的物理試驗，研究了一種Savonius型水輪機在不同波浪環境下帶負載運轉的捕能性能。采用Star-CCM+仿真軟件，建立數值波浪水池，設置環境參數，劃分網格調整變量進行水輪機運轉的水動力模型數值研究。在造波試驗水池中利用推板改變波浪周期與波高，進行水輪機運轉的物理試驗。采集在不同負載下水輪機槳葉的轉速和扭矩數據，計算并分析功率等參數，總結變化趨勢，評價捕能效果。研究發現水輪機在1.6 s的波浪周期條件下，槳葉承受1.5 N·m負載時達到最佳捕能效果，其功率為23 W。為實際海域中水輪機槳葉的結構設計研究和相關工程應用提供參考。

關鍵詞：Savonius型水輪機；捕能性能；海洋能；波浪周期；槳葉；扭矩系數；能量轉換效率

上游水庫群運行對長江口淡水資源的影響及未來趨勢分析

丁　磊1，繳　健1，楊嘯宇1，曾　明2，王逸飛1

（1. 南京水利科學研究院，江蘇 南京　210029； ２． 長江水利委員會水文局，湖北 武漢　430010）

摘　要：上海市飲用水主要來自長江口的3大水源地——陳行水庫、青草沙水庫和東風西沙水庫，鹽水入侵是長江口淡水資源利用的重要威脅。隨著以三峽工程為代表的長江上游水庫群的建成和運行，入海流量發生變化。在分析及預測長江入海流量的基礎上，通過長江口實測鹽度數據及數學模型，以淡水資源面積占比、水源地取水口平均鹽度為指標，對長江口鹽水入侵受上游水庫群運行的影響開展研究，并對未來變化趨勢進行分析。研究結果表明：三峽蓄水后入海流量小于15 000 m3/s的頻率明顯減少，而小于10 000 m3/s的極低流量幾乎不再發生。未來10 a枯季入海流量較現在大體仍為增加趨勢，尤其是12月平均流量增量可達2 400 m3/s。三峽工程的運行并未使得長江口鹽度時空分布特征發生根本性變化，但鹽度場會有一定改變。在三峽水庫蓄水的影響下，除11月外其他枯季月份南支、南港、北港淡水資源面積均有增大，南支1、2月增量超過南支面積的40%，南北港則在3月增量最為明顯；在11月水源地取水口鹽度約有0.05‰的升高，其他月份均為下降，1月變化最為明顯，3大水源地取水口鹽度下降0.4‰～0.5‰。在未來10 a中，12 月鹽水入侵與現狀相比將會有進一步減弱，水源地取水口鹽,度進一步下降0.2‰左右。研究可為未來長江口水源地運行提供參考和依據。

關鍵詞：長江口；鹽水入侵；長江上游水庫群；入海流量；水源地；淡水資源

萬米級深海陶瓷耐壓結構水下內爆流場數值模擬

陳鋒華，趙　敏

（上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 海洋工程國家重點實驗室，上?！?00240）

摘　要：耐壓結構是深海潛器的重要組成部分，但在深海的高壓環境中卻存在內爆的風險。為研究陶瓷耐壓結構水下內爆的流場特性，使用針對可壓縮多相流問題開發的開源代碼，采用直接數值模擬，應用自適應直角網格，對兩種壓力條件下的耐壓結構水下內爆進行了數值模擬。通過低壓模擬結果與理論解和試驗值比較，驗證了模擬方法的有效性，進而開展萬米級深海陶瓷耐壓結構水下內爆模擬。分析發現：陶瓷耐壓結構發生內爆后，其內部氣腔存在多次壓縮—反彈現象，深海環境壓力越大則反彈越不明顯；氣腔反彈階段，在結構外部將產生數倍于深海環境壓力的沖擊波，且傳播速度接近聲速；沖擊波壓力峰值

與到球心距離呈負指數冪函數關系；在相同深海環境壓力下，耐壓結構外部監測點的沖擊波壓力與球體半徑呈正比例關系。

關鍵詞：水下內爆；萬米級深海陶瓷耐壓結構；沖擊波；可壓縮多相流；直接數值模擬

球柱殼耐壓艙體極限承載力研究

張洪彬1, 2, 3，徐會希1, 2, 3

（1. 中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽　110016； 2. 中國科學院 機器人與智能制造創新研究院，遼寧 沈陽　110169；3. 遼寧省水下機器人重點實驗室，遼寧 沈陽　110169）

摘　要：耐壓艙設計是水下機器人的核心技術之一，其極限承載力研究是核心中的核心。針對球殼封蓋加柱形殼體耐壓艙，現行標準對于初始導入缺陷數值的確定往往過于保守，對于耐壓艙體數量較多的無人潛水器來說，過大的設計質量是總體設計所無法接受的。首先采用裝配體整體建模策略，建立復合屈曲的受力模型，將三大非線性影響因素同時引入到極限承載力研究中，提升了計算精度。然后分別針對確定性缺陷和非確定性缺陷結構開展極限承載力研究。最后，提出以0.23%的初始缺陷導入尺度作為球殼封蓋加圓柱殼體的耐壓殼體缺陷導入參數，給出了導入尺度的計算方法，并借助水壓試驗對上述參數的準確性進行驗證。

關鍵詞：水下機器人；極限承載力；0.23%初始缺陷導入尺度；球柱殼耐壓艙體；非線性屈曲

履帶式深海采礦車軟底質行走性能分析

蘇　強，呂海寧，楊建民，孫鵬飛

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上?！?00240）

摘　要：海底底質的物理力學參數不同于陸地土壤，其極低的抗剪強度和承壓強度對深海采礦車的行走性能提出高要求。分析基于車輛地面力學理論，開展了底質土力學特性試驗研究，建立了深海底質力學模型。根據深海重載作業采礦車樣機結構參數，在大型動力學仿真軟件Recurdyn中建立了仿真模型。通過直線行走多體動力學仿真與直線行走海試試驗的對比，驗證了仿真模型的準確性。在此基礎上開展了采礦車樣機在深海軟底質上的多種行走工況動力學仿真，分析與評價其行走性能。結果表明，采礦車樣機可以順利完成轉彎、爬坡、越障等基本功能。該研究成果可為深海采礦車海底行走性能評估提供理論參考，為深海采礦車和軟底質的相互作用力學研究提供借鑒。

關鍵詞：履帶式；深海采礦車；行走性能；深海軟底質；深海礦產

深海潛標布陣方式對海面聲源定位精度的影響

張志偉1，王紅萍1，張　旭1，上飛飛2，馬少華3

（1. 中國人民解放軍91550 部隊43分隊，遼寧 大連　116023；2. 中國人民解放軍91650部隊，廣東 廣州　510320；3. 中國人民解放軍92556部隊，浙江 舟山　316000）

摘　要：針對深遠海條件下海面聲源目標定位精度與海底潛標布陣方式相關性問題，建立了基于到達時間差（TDOA）體制的被動定位模型，根據設計工況討論了海底潛標布陣原則，利用蒙特卡洛數值模擬方法分析了聲源位于陣內、陣外以及陣元失效3種情況下定位精度分布情況。仿真結果表明：當4個潛標呈矩形分布時，僅東、西兩側較小區域未覆蓋，覆蓋范圍內平均定位精度約為34.1 m。隨著陣元數增加，在中心區域附近定位精度顯著提高，陣型外側定位精度由內向外逐漸下降。當目標位于對角線方向靠近頂角附近時，模型交匯解算性能較差，定位精度大于500 m。當1#潛標失效時，測量海域西北角方向定位精度較差，但精度優于25 m的區域要比5#潛標失效情況大。7#潛標失效時，定位精度與各陣元均正常的情況接近。研究結果為海面聲源測量系統設計、陣型選擇、精度評估等海洋工程應用提供理論依據。

關鍵詞：深海潛標；布陣方式；到達時間差；蒙特卡洛模擬；定位精度