基于非定常面元法的海上浮式风机气动性能研究

刘利琴1 ，陈迪郁1 ，沈文君2 ，李  昊1 ，邓万如1

（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

摘  要：对于海上浮式风机而言，由于受到剪切风、塔影效应、浮式基础运动等因素的共同影响，其气动载荷会更加复杂，因此如何准确快速地对海上风力机的气动性能进行预估显得尤为重要。基于速度势的非定常面元法理论，研究海上浮式风机气动载荷特性，编制了相关的计算程序。以 NREL 5 MW风机为例，建立了叶片和尾流的三维数值模型，计算得到了不同风速下风机的输出功率以及叶片表面的压力分布，对比数据结果分析了该方法的可靠性。针对非定常流动，模拟了剪切风和塔影效应的作用，并重点分析了浮式基础运动对风机气动载荷的影响。研究表明，浮式基础的纵荡和纵摇会增加输出功率的波动幅值，艏摇运动会导致单个叶片上的气动载荷产生较大的波动，为浮式风机叶片控制提供了参考。

关键词：非定常面元法；气动载荷；浮式风机；尾流；非定常流动 

基于环境包络线法的深水浮式平台极值响应长期预报 

宫浩男1 ，谢波涛2 ，王俊荣1 ，宋佳奇1 ，刘 浩1

（1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

摘  要：海上结构设计包括对荷载和响应的可靠性评估。对结构进行全面长期响应分析繁琐且费时，故将基于逆一阶可靠性方法的环境包络线进行海上结构概率可靠性分析，对结构的长期响应进行近似估计。在二维标准正态空间中画出与重现期相对应的圆，将圆离散为点后通过Rosenblatt变换转化为环境参数空间中的点来形成闭合的环境包络线。描述海洋环境条件的模型对绘制环境包络线极为重要，基于我国南海荔湾海域40年波浪模拟数据，建立了描述南海波浪的Weibull-Gev 条件分布模型，进而绘制南海有效波高—谱峰周期包络线，并与张力腿平台（TLP）系泊张力的长期响应预报结果对比，给出南海海域在波浪作用下应用环境包络线法预报TLP系泊张力的分位数，为未来南海TLP设计中系泊张力预报提供快速估算方法。

关键词：长期预报方法；环境包络线；逆一阶可靠性方法；波浪联合分布；张力腿平台 

非淹没刚性植物对海啸作用下海堤水动力特性影响数值模拟研究

蒋昌波1, 2, 3 ，熊玉章1 ，屈 科1, 2, 3，邓 斌1, 2, 3 ，陈 杰1, 2, 3

（1. 长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114； 3. 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）

摘  要：基于非静压单相流模型NHWAVE 建立了二维高精度数值波浪水槽。通过设计不同的计算工况，系统研究了非淹没刚性植物对海啸作用下海堤周围水动力特性的影响。着重分析了不同入射波高、不同植物分布密度以及不同植物分布宽度条件下海啸波沿程波形特征以及海堤堤顶越浪流空间分布特征。结果表明：不同入射波高、植物分布密度以及植物宽度条件下，堤顶流厚度和水体流速具有明显单调的变化趋势，并且随着植物分布密度和宽度增大，波能衰减增大；随着入射波非线性增强，植物分布密度和分布宽度对堤顶前段水流厚度的影响也随之增强，而对堤顶后段水流厚度的影响则减弱，且堤顶后缘过流厚度约为堤顶前缘水流厚度的二分之一；在波浪非线性较大情况下，植物的存在对堤顶过流速度的空间分布趋势几乎没有影响，但相对堤顶水流速度增加程度均大于无植物情况，且堤顶后缘水流速度约为堤顶前缘的1.6倍。

关键词：非淹没刚性植物；孤立波；非静压模型；堤顶过流厚度；堤顶过流速度 

波浪作用下涵洞式直立堤水体交换特性研究

吕超凡1 ，赵西增1, 2 ，殷铭简1 

（1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021； 2. 浙江海洋大学 海洋工程装备学院，浙江 舟山 316022）

摘  要：基于计算流体力学（CFD）数值模拟和物理模型试验结合的方式，开展涵洞式直立堤在波浪作用下的水体交换研究。CFD 数值模拟采用VPM（volume-average/point-value method）-THINC（tangent of hyperbola for interface capturing）/QQ（quadratic surface representation and Gaussian quadrature）模型，并在此基础上提出一种能够标记涵洞内外水体变化的双液相流体体积模型（VOF）方法，定性及定量描述涵洞内外水体的交换特性；物理模型试验主要用来验证数值模型的准确性。研究表明，在波浪的作用下，涵洞内部会形成一股往复振荡的水流，对水体交换起到重要的作用。该振荡流主要受到涵洞高度、波浪周期以及波高的影响，涵洞深度对其影响不大。在波浪长时间的作用下，涵洞式直立堤能有效地增强港池内外水体交换。

关键词：涵洞式直立堤；双液相VOF方法；模型试验；水体交换；振荡流 

集成波能转换功能的方箱—挡浪板式浮式防波堤水动力特性研究

纪巧玲，徐成浩，刘庆凯

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

摘  要：浮式防波堤与振荡浮子式波浪能转换装置集成是一种较为合理的波浪能开发利用方式，基于方箱式浮式防波堤—波浪能转换集成系统和幕帘式防波堤的研究成果，提出了一种新型方箱—垂直挡浪板式浮式防波堤—波浪能转换集成系统，建立数学模型对该集成系统的水动力特性和能量输出特性进行研究。模型基于N-S方程，采用紧致插值曲线（CIP）方法结合浸没边界法（IBM）求解。 运用数值模型探究在一定波浪条件下，动力输出系统（PTO）阻尼力的大小以及挡浪板对集成系统的水动力特性和能量转换特性的影响，得到如下结论：集成系统的俘获宽度比随 PTO 阻尼力的增大呈现先增大后减小的趋势，在阻尼力FPTO= 150 N时达到最大相对于方箱型集成系统，增设0.1 m 挡浪板后可使其最大俘获宽度比 ηe 提高 33%左右；此外，集成系统的俘获宽度比随挡浪板长度增加而增大，增长趋势逐渐变缓，在挡浪板长度Sp = 0.5 m时达到最大，此时俘获宽度比ηe = 0.563 1。

关键词：浮式防波堤；集成系统；挡浪板；波能转换效率；消波性能；N-S方程 

新模块化单桩缓冲系泊浮式集成结构系统研究

于悦凯1 ，宋育新2 ，周道成1 ，任年鑫3, 4

（1. 大连理工大学 深海工程研究中心，辽宁 大连 116024；2. 中国石油广西石化分公司，广西 钦州 535008；3. 海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；4.  海南大学    南海海洋资源利用国家重点试验室，海南 海口 570228）

摘  要：为配合我国南海重要岛礁陆域拓展及海洋资源开发，提出了一种基于新型单桩缓冲系泊与波浪能装置（WEC）集成的 具有潮汐自适应特性的模块化浮体结构系统。基于三维势流理论，综合考虑浮体模块与单桩缓冲结构的相对运动及相关波浪能装置的机械耦合机理，重点研究了新型单模块浮式结构系统在典型海况下的动力响应特征，获得了单桩缓冲系泊系统的初步优化设计参数，并对极端海况进行安全校核，提出了优化自存策略。数值结果表明，此带有波浪能装置的新型单桩缓冲系泊系统，不仅可以有效地降低浮体模块的运动响应幅值并改善平台舒适度，还可以获得可观的发电量，而且在极端海况下，可以通过调整阻尼装置系统来稳定浮体模块的运动。

关键词：模块化；单桩缓冲系泊；波浪能发电；舒适度；安全校核 

带纵摇前墙的新型振荡水柱式波浪能装置转换效率以及水动力性能数值研究

任 翔1 ，邓争志1 ，程鹏达2

（1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021；2. 中国科学院 力学研究所，北京 100190）

摘  要：提出了一种带纵摇前墙的新型振荡水柱式波浪能（OWC）装置，借助OpenFOAM 开源代码平台和wave2Foam工具包，数值模拟研究带纵摇前墙OWC装置的水动力性能和转换效率。主要研究前墙吃水d1、前墙密度 ρ、后墙吃水d2、旋转约束力（用无量纲弹簧系数K表示）对该装置的反射系数Cr、透射系数Ct、耗散系数Cd 和波能转换效率 ξ 的影响规律。结果表明，纵 摇前墙能有效减少能量耗散，提高波能转换效率 ξ ；无量纲弹簧系数K对装置转换效率的影响主要集中在短波区域，且在K为0时装置具有最大的转换效率和最宽的高效频率带；前墙的密度和吃水深度对水动力系数影响不大；后墙的吃水深度对水动力系数影响较大，增加吃水深度能有效提高装置对于中短波和中长波段的波能转换效率，但对系统整体的能量耗散系数影响不大。

关键词：OpenFOAM；振荡水柱；纵摇前墙；透射系数；耗散系数；波能转换效率 

用于振荡水柱波能系统的径流式空气透平数值模拟研究

杨 鑫，刘 臻，张晓霞

（中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100）

摘  要：径流式空气透平是振荡水柱式波能发电系统的二级能量转换装置，因其具有结构简单、输出扭矩大、轴向推力小的优势，得到了越来越多的关注。采用计算流体力学软件Ansys-Fluent 12.0，通过数值模拟方法考察了不同转子叶片稠度对径流式空气透平定常无量纲评价参数的影响规律。研究结果表明：虽然径流式透平可在双向气流下实现单向旋转，但当气流通过方向不同时，透平的定常工作性能存在明显差异，这与传统轴流式透平完全不同；此外，稠度对透平效率的影响在不同流量系数 范围内也不同。因此，综合考虑气流流向、透平整个工作范围内输出效率，推荐采用的转子叶片稠度为2.34。

关键词：波能发电；振荡水柱；径流式透平；数值模拟；转子叶片稠度；定常性能 

深水极端波浪非线性几何特征试验分析

赫岩莉1 ，毛鸿飞1 ，吴光林1 ，潘新祥2

（1. 广东海洋大学 海洋工程学院，广东 湛江 524088； 2. 广东海洋大学 海运学院，广东 湛江 524088）

摘  要：为了解极端波浪非线性特征，明确波群在演化过程中的水动力学特性，针对一系列高斯波群进行了深水物理试验分析。试验结果显示，增加波陡或波群宽度，均可使波面偏度 Sk发生明显变化，尤其当波浪发生破碎后，在破碎区域内，波面偏度变化范围剧烈增大，说明该偏度极大值可能作为判断破碎的一个指标。波陡和波群宽度对波面不对称度影响程度不同：当波陡或波群宽度增加后，波峰不对称度所受影响最大，波峰前端波谷不对称度次之，波峰后端波谷不对称度所受影响最小，但仍不可忽略。在波浪演化过程中，幅值谱出现不同程度频带下移，波浪破碎后，会出现永久频带下移；当调制不稳定发生时，随着调制不稳定指数增加，频带下移量呈现快速增长趋势。

关键词：波浪不对称；波浪破碎；调制不稳定；非线性；几何特征

珊瑚礁地形上破碎波高试验研究

刘清君，王登婷，孙天霆，黄 哲

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210024）

摘  要：破碎波高是珊瑚礁地形上波浪演化的重要参数之一，对工程安全和海岸变形具有重要影响。通过二维波浪水槽，对珊瑚礁地形上破碎波高进行试验研究，分析破碎波高随波陡、礁坪水深以及礁前斜坡坡度的变化。研究表明，相对破碎波高随相对礁坪水深的增大而增大，随入射波陡的增大而减小，但礁前斜坡坡度对相对破碎波高的影响并不明显。通过引入相对 礁坪水深，将经典的破碎波高计算公式拓展至珊瑚礁地形上破碎波高的计算。该公式计算值与前人的试验值进行对比验证，吻合较好。研究成果可为工程实践和数值模拟提供参考与借鉴。

关键词：破碎波高；珊瑚礁；礁坪水深；波浪；波陡 

基于深度学习的随船波浪测量技术研究

张建宏1, 2 ，卢文月1, 2 ，李 欣1, 2 ，田新亮1, 2 ，郭孝先1, 2 ，张显涛1, 2

（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院，海南 三亚 572025）

摘  要：深海极端波浪环境为浮式海洋平台作业时最为关键的海洋动力环境之一。在其作用下，深海浮式平台的运动、气隙以及结构响应等均为近年来的研究热点。然而，在深海环境中，入射波浪环境往往通过X波段雷达进行测量，仅能获得波浪的短时统计值，极大限制了实海域浮动平台动力响应的研究。目前，尚无成熟的方法能够对海洋浮式平台所处海域的入射波时序进行实时测量。针对深远海半潜式平台的波浪时序随船测量问题，结合平台气隙响应与运动响应数据建立基于深层神经网络的波浪非线性解耦模型，准确估计辐射、绕射波浪以及其非线性成分对时序波浪场的影响。研究显示，基于深度神经网络的波浪时序测量技术可以实现从气隙响应到入射波信息的反推，利用该方法计算得到的波浪时序具有较高的精度。

关键词：深海浮式平台；入射波；深层神经网络；非线性效应；气隙响应 

破碎波作用下圆端形桥墩受力特性数值模拟

魏 凯，姜沫臣，洪 杰

（西南交通大学 土木工程学院 桥梁工程系，四川 成都 610031）

摘  要：当波浪由外海向跨海桥梁所在的近岸海域传播时，随着水深急剧变浅，波浪会发生破碎。强非线性的破碎波会给桥墩结构带来极大冲击作用。基于计算流体力学（CFD）数值软件Flow-3D建立三维数值水槽，造波边界设为斯托克斯五阶波。通过在数值水槽中建立逐渐浅化的三维地形，采用k-ω湍流模型求解雷诺平均N-S（RANS）方程，模拟破碎波冲击桥墩。与前人水槽试验及数值模拟结果进行比对，验证数值水槽的有效性。采用验证过的数值水槽，研究了不同入射波高和周期下的破碎波浪特性，计算了不同长宽比圆端形桥墩在不同入射波高的破碎波作用下受力和流场变化，讨论了最大压强作用点、准静态力和冲击力随桥墩长宽比的变化规律。研究表明：与前人试验和数值模拟相比，所建立的数值水槽具有较高精度；圆端形桥墩破波力随桥墩长宽比增大，先增大后趋于稳定，破波力峰值随着入射波高的增大而增大，同时，圆端形桥墩破波力峰值主要由冲击力控制。进行跨海桥梁圆端形桥墩设计时，应重点关注桥墩长宽比和破碎波冲击力的影响。

关键词：破碎波；数值模拟；圆端形桥墩；长宽比；破波力；跨海桥梁 

悬链线管体三维流场数值模拟研究

何建勇1 ，高洋洋1 ，王立忠1 ，沃恩海2 ，张卓先2

（1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021； ２． 浙江省海港投资运营集团有限公司，浙江 宁波 315040）

摘  要：基于计算流体力学开源代码OpenFOAm 开展不同雷诺数（100≤Re≤3 900）下弯曲管体绕流流场三维数值模拟研究。对比分析不同雷诺数条件下弯曲管体的瞬时和时均流场特征，研究了弯曲管体不同位置处的时均压力系数和旋涡脱落频率。 结果表明：当Re= 100时，尾流中仅有展向涡存在；当300≤Re≤3 900 时，流向涡出现且强度逐渐增加，展向涡减弱，随着局部曲率增大，沿弯管展向涡脱强度减小。随着雷诺数的增大，回流区沿流向的延伸尺度减小，但其沿展向的分布范围增大。沿弯管展向随着深度减小，前后驻点时均压力系数的绝对值递减，圆周时均压力系数变化幅度减小。在 300≤Re≤3 900 范围内，管体曲率会对展向涡脱频率产生一定影响。

关键词：弯管绕流；瞬时尾流；时均流场；时均压力系数；涡脱频率 

薄片炸药作用于波纹板防爆墙时的流场压力分析

罗 放，张世联

（上海交通大学 高新船舶与深海开发装备协同创新中心 海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

摘  要：在薄片炸药冲击试验中，所产生的均布流场压力会对波纹板防爆墙造成中拱效果，但该作用机理尚未明确。在该试验的比较基础上，通过流固耦合法对薄片炸药所产生的流场压力变化开展研究。在分析波纹面板及空气的压力分布变化后，发现并揭示了波纹面板上出现第二次压力峰值和自由边压力耗散现象的机理。在此基础上定量分析了薄片炸药量和槽型深度对流场压力和波纹面板变形的变化规律。研究发现，随着炸药量增加，二次压力峰值将使波纹面板中拱现象愈加明显，而槽型深度会加大压力峰值。文中机理和定量分析可为海洋平台防爆结构的设计分析提供补充参考。

关键词：薄片炸药；流固耦合法；流场压力；压力耗散；第二次压力峰值 

双浮板液舱晃荡特性的数值研究

于曰旻1, 2

（1. 海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2. 海南大学 南海海洋资源利用国家重点实验室，海 南 海口 570228）

摘  要：基于黏性流理论，采用动网格技术和6自由度模型，以及动量源方法，建立了双浮板液舱晃荡的数值模型。分别采用3种不同空间步长的网格离散计算区域，进行了网格收敛性验证。通过光滑液舱晃荡的模型试验和解析得到的爬高最大值，验证了数值模型的精确性。 在载液率为50%，激励幅值为2 mm条件下，对双浮板液舱晃荡进行了数值计算，与光滑液舱相比，双浮板液舱晃荡的最大爬高明显减小。通过一个激励周期内双浮板液舱晃荡的波面显示发现，液舱晃荡模式由光滑液舱的驻波模式变为U管模式，晃荡模式的改变起到了明显地抑制液舱晃荡的效果。

关键词：液舱晃荡；数值模拟；双浮板；爬高；晃荡模式 

基于模糊PID的深海采矿机器人路径跟踪控制

毛竞航1, 2 ，吕海宁1, 2 ，杨建民1, 2 ，刘 磊1, 2

（1.  上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上 海 200240）

摘  要：深海采矿作业中，由于海底软泥稀软，采矿机器人极易打滑，以及海底地形、海流等干扰，采矿机器人容易偏离预定路径。针对采矿机器人的海底作业过程中路径跟踪问题，设计并分析了深海采矿机器人的路径跟踪控制系统。首先提出了艏向控制实现采矿机器人路径跟踪的控制算法，通过采矿机器人与当前目标点相对位置计算采矿机器人的目标艏向角，后基于运动学模型建立模糊比例积分微分（PID）的控制方法控制采矿机器人两侧转速差值进而控制采矿机器人艏向，从而使机器人 按目标路径行走；同时为了防止输入过大引起打滑，基于动力学模型数值分析了采矿机器人主动轮角加速度与打滑率之间的关系，采取限制主动轮角加速度方式防止采矿机器人过度打滑；最后通过Matlab/Simulink建立系统模型对系统进行仿真分析。仿真结果表明，该控制算法能够良好地完成采矿机器人的路径跟踪任务。

关键词：深海采矿机器人；路径跟踪；艏向控制；模糊PID；打滑 

崇明岛南侧盐沼潮滩消能状态研究

马烨贝，戴志军，庞文鸿，马彬彬，王 杰

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

摘  要：沿海盐沼潮滩可以有效降低波浪高度，耗散波浪能量，在海岸防护和沿海城市安全中扮演着重要角色。以长江河口崇明岛南侧盐沼潮滩为对象，基于不同潮间带实测波浪变化数据，采用波能衰减模型对波浪横向沿潮滩衰减状态进行定量分析，由此探讨波浪衰减主控要素。结果表明：波浪沿盐沼潮滩向岸传播过程中，波高以及波能大幅下降，其中光滩—芦苇前部区域波能平均下降19%，芦苇区域波能平均下降71%，有植被覆盖区域对波浪的衰减效应更为显著。同时，水深、入射波高及 阻力是影响盐沼潮滩波浪衰减的主要因素，波浪衰减强度随水深增大而减小，入射波高增加以及阻力的增大而增强。

关键词：盐沼潮滩；植被；波浪衰减；消能强度；长江口；崇明岛