上海交通大学学报

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大型海上风力机单叶片吊装对接技术综述

谢斯泓, 赵永生, 许移庆, 何炎平, 韩兆龙, 许玉旺

2023,57 (6): 631-641.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.237

摘要 ( 660 )

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PDF(14702KB) ( 778 )

近年来,海上风力发电呈现加速大型化发展趋势,安装海域不断向深远海拓展.然而,深远海域环境条件恶劣,传统叶轮吊装技术面临诸多限制.相比之下,单叶片吊装技术在安装效率、安全性等方面具有显著优势,逐渐成为新的研究热点.从海上风力机单叶片吊装的特点和难点出发,调研并汇总叶片吊具、单叶片吊装动力学仿真和吊具主动控制技术等相关设备和关键技术的研究现状.其中,以主动控制技术为核心研发新型单叶片吊装设备和吊装方法是深远海巨型风力机安装技术突破的重要一环.最后根据海上风力机单叶片吊装对接技术的发展趋势和前景,分别介绍具有动力定位功能的单叶片吊具和双抱箍垂直叶片安装辅助装置等概念设计,有望解决深远海巨型风力机安装难题.

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带有尾缘襟翼的兆瓦级大型垂直轴风力机气动性能优化

陈昊, 戴孟祎, 韩兆龙, 周岱, 包艳, 涂佳黄

2023,57 (6): 642-652.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.488

摘要 ( 289 )

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PDF(9287KB) ( 176 )

垂直轴风力机较低的风能利用率是限制其工程化应用的主要原因,为了提高其风能转化率、降低气动荷载,针对叶尖速比为2.65的中等值条件下带尾缘襟翼的大型垂直轴风力机提出了一种改进的气动性能优化模型,采用SST k-ω湍流模型进行数值模拟.研究结果表明:与原始模型相比,考虑桨距和襟翼协同运动下优化模型的功率系数可提高12.2%;此外,桨距和襟翼的协同运动可以显著减少作用在风力机整机上的推力和侧向力,与原始模型相比分别减少了12.4%和7.5%,推力和侧向力的波动幅值也要明显低于原始模型,这将有助于降低作用在风力机整机上的疲劳荷载.该模型有望在兆瓦级大型垂直轴风力机上得到应用.

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圆筒形浮式生产储油装置在短峰波中水动力性能试验研究

李俊, 彭涛, 张建宏, 卢文月

2023,57 (6): 653-658.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.239

摘要 ( 206 )

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采用不同方向分布参数的三维短峰波浪对圆筒形浮式生产储油装置(FPSO)迎浪方向的水动力性能开展模型试验研究,对圆筒形FPSO运动响应和系泊系统受力进行分析,并与长峰波浪中的试验结果进行对比.试验结果显示:在短峰波环境条件中,圆筒形FPSO的纵荡运动响应小于长峰波试验结果,横荡和横摇运动响应大于长峰波试验结果,系泊缆最大张力小于长峰波试验结果.在短峰波与长峰波环境条件中,圆筒形FPSO的水动力性能存在较为显著的差异.试验结果可为深入开展三维短峰波中海洋结构物水动力性能研究提供参考.

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改进LSTM神经网络在极短期波浪时序预报中的应用

尚凡成, 李传庆, 詹可, 朱仁传

2023,57 (6): 659-665.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.438

摘要 ( 439 )

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高效准确的极短期预报对实海况下船海结构物的施工作业安全意义重大.由于海浪的随机性,短期预报往往使用时间序列分析进行,近年来神经网络特别是长短期记忆(LSTM)神经网络在时间序列分析上预报能力强.基于此,提出一种结合生成式对抗思想的LSTM改进形式,在神经网络中嵌入频域特性等的先验知识,实现时频域信息耦合预报.经实验测试可知,该方法预报精度优于传统时序分析方法和LSTM神经网络结果,适用于极短期时序预报,有助于实现更好的船舶操纵控制.

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浅海风-浪-流-海床耦合场非定常时空演化规律及评价指标

陈静, 柯世堂, 李文杰, 朱庭瑞, 员亦雯, 任贺贺

2023,57 (6): 666-679.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.065

摘要 ( 266 )

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浅海地区海床地貌与波浪场、海流场和风场之间存在很强的实时耦合作用,现有分析模型无法直接考虑海床的影响因素,更难以解释典型海床地貌与海浪、剪切流和梯度风耦合场的非定常演化机理.基于STAR-CCM+平台二次开发,构建了海底平原、海底斜坡、海槽和平坦地貌4种典型海床地貌条件下的浅海风-浪-流数值水池;提出多层质点速度耦合方法并建立了多层风-浪-流耦合模型,在初始时刻即实现了风-浪-流场解耦,对比分析了各海床地貌下波浪场、海流场和风场的时空演化规律;引入主成分分析法对各典型海床地貌下风-浪-流非定常效应进行评价,建立风-浪-流-海床耦合场全生命周期非定常评价指标.结果表明:多层风-浪-流耦合模型能更真实反映垂向风速和流速分布不均匀对波浪场的影响;海床地貌会导致波浪场在演变过程呈多阶段时程分布,其中平坦地貌、海底斜坡和海槽工况共分为波面激增、衰减和稳定阶段,海底平原工况分为外破波、内破波和爬坡阶段;海流场在演变过程呈多段式空间分布,海床导致海流场形成多涡积聚或多涡共存的现象;风-浪-流-海床耦合演化对风剖面指数产生放大作用,海床床面高度与风剖面系数成正比关系;平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽的演化终期非定常评价指标分别为0.268、4.612、0.672和0.926.

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复合材料护舷实船碰撞仿真方法及防护机理

李牧之, 鲍文倩, 王修成, 张一鸣, 袁昱超, 唐文勇

2023,57 (6): 680-689.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.075

摘要 ( 299 )

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护舷在船舶碰撞中起到重要的保护作用,但目前对船用护舷的碰撞仿真方法及复合材料护舷的防护机理等相关研究较少.首先,提出一种新型复合材料护舷设计方案,基于材料力学性能测试数据,选择低密度泡沫和超弹性材料本构模型分别模拟护舷内层泡沫与外层聚氨酯.随后针对船体-护舷-码头的靠泊问题,建立多体几何模型,形成碰撞仿真方法,从能量转换的角度对护舷防护性能进行分析,证明了复合材料较橡胶护舷对船体结构的保护作用更优.最后,分别改变复合材料内层泡沫刚度、船体刚度、外层聚氨酯厚度及拉伸刚度,对复合材料防护机理进行分析.结果表明:护舷较船体结构的相对刚度是影响其防护性能的主要因素,复合材料护舷的内层泡沫为主要吸能结构,通过压缩变形吸收船体动能以降低结构响应,而外层聚氨酯主要起保护芯体的作用.

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钢管桩-注浆加固盾构换刀区稳定性分析

戴治恒, 张孟喜, 魏辉, 顾婕, 张晓清

2023,57 (6): 690-699.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.032

摘要 ( 207 )

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以佛-莞城际线路长隆隧道工程为背景,采用室内试验和数值模拟,研究常压开仓时换刀区失稳和渐进破坏过程.结合工程实际建立数值模型,采用快速拉格朗日差分法分析钢管桩-注浆方案常压换刀区地层的安全系数,对比分析钢管桩-注浆加固方案对换刀区地层应力释放和位移的控制效果.结果表明,常压开仓时盾构开挖面首先失稳,并引起土体流失以及土压力释放现象;随着刀盘后移,逐渐诱导换刀区地层出现大范围竖向位移,最终贯通至地表.采用钢管桩-注浆方案,换刀区安全系数得到显著提高,地层应力释放和位移均得到有效控制.与注浆加固方案相比,钢管桩-注浆方案具有工期短、污染少的优点且钢管桩可回收,不影响土体后续使用,为工程提供新的地层加固思路.

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沉垫基础在水平和斜坡黏土海床上的竖向承载特性研究

严远忠, 张琪, 叶冠林, 孙波, 刘国军

2023,57 (6): 700-708.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.459

摘要 ( 282 )

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准确评估沉垫基础在黏土海床上的竖向承载力对自升式平台沉垫基础在海洋环境中的安全作业具有重要意义.结合离心机试验与欧拉-拉格朗日法(CEL)大变形数值计算方法研究沉垫基础在水平和斜坡黏土海床上的竖向承载特性,首先通过T-bar贯入试验得到土体的不排水抗剪强度沿深度的分布规律,然后进行两种底面形状的沉垫基础在软黏土海床上的竖向承载特性离心机试验,最后结合CEL大变形数值方法对沉垫基础的竖向承载特性进行探讨,分析沉垫基础在不同坡度海床上的承载力和土体位移变化.研究结果表明,沉垫基础荷载-位移曲线没有明显峰值,正方形基础承载力略高于长方形基础;在基础入泥过程中,土体超孔压发展规律与荷载-位移曲线的变化规律基本一致,竖向荷载大部分由超孔压承担;随着海床坡度增大基础承载力逐渐减小且基础底部土体有向坡角方向滑移的趋势,可能导致海床发生滑移破坏,工程中应尽量避免在坡度较大的海床区域作业.

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结构性黏土中球孔扩张不排水解析及其在静力触探中的应用

张亚国, 肖书雄, 翟张辉, 李同录

2023,57 (6): 709-718.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.330

摘要 ( 233 )

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圆孔扩张理论被广泛用于静力触探(CPT)和静压沉桩等问题的贯入阻力或挤土位移分析预测中.目前结构性黏土中的圆柱孔扩张解答难以考虑扩孔过程中土体结构破坏或退化影响,一定程度上限制了该理论解答的工程适用范围.将锥尖或桩端贯入作为球形孔的扩张挤土过程,基于结构性黏土剑桥模型和塑性区大应变理论,将球孔扩张不排水问题归结为各有效应力分量的常微分方程组边值问题,以弹塑性边界上应力值为边值条件对该问题进行求解.结果表明,随着土体结构性增强,球孔周围的临界状态区和塑性区范围减小,扩孔应力增大,超固结土的应变软化特征和剪胀性更明显;对于初始应力相同的结构性黏土,各有效应力分量在孔壁附近均趋于对应重塑土中的应力分量,说明土体在扩孔扰动过程中发生了结构破坏或退化.最后将确定的扩孔应力用于CPT贯入阻力及孔隙水压力的理论计算中,与已有解答进行对比分析,发现考虑土体结构性影响后能得到与实测值更接近的预测结果.

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高精度WCNS格式加权策略改进与数值验证

杨强, 李伟鹏

2023,57 (6): 719-727.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.014

摘要 ( 389 )

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为了揭示复杂的流动机理,国内外提出了一系列高阶精度格式,其中加权非线性紧致格式(WCNS)具有良好的激波捕捉能力,已广泛用于复杂流动数值模拟,然而在模拟小尺度流动时分辨率不足、耗散偏大.在WCNS的框架下,借鉴基于目标本质无振荡(TENO)格式的加权策略,将间断检测和模板加权的新方法引入WCNS构造中,发展了一种7阶精度的WCNS7-T格式,通过一维激波管问题和二维黎曼问题等开展算例测试,并与传统的WCNS7-Z格式计算结果进行对比来验证新格式的改善性能.数值实验表明,WCNS7-T格式更好地抑制了间断附近的数值振荡,在提高分辨率和激波捕捉能力的同时也进一步降低了耗散.

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高速飞行器燃油瞬态温度预测的修正热网络法

程显达, 郑皓冉, 杨学森, 董威

2023,57 (6): 728-738.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.387

摘要 ( 261 )

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针对高速飞行器燃油消耗全阶段温度场三维瞬态计算存在效率过低问题,为满足高速飞行器燃料系统快速迭代设计过程中燃油温度场计算的需求,通过在热传导方程中添加掺混系数表征燃油内部热对流,在热平衡方程中添加传质项表征燃油宏观流动,提出一种满足设计精度的高效修正热网络方法.基于提出的热网络法构建高速飞行器储油系统瞬态热分析模型,在不同的热边界条件和储油系统几何结构下,该热网络法计算结果与计算流体动力学(CFD)方法结果的偏差低于5%,计算效率极大提高.采用CFD计算与修正热网络法结合的方式,为高速飞行器燃料储存系统设计提供了新的燃油瞬态温度变化预测方法.

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内角钝度对微重力下液体推进剂毛细流动特性的影响

杨恩博, 金宇鹏, 杨光, 黄永华, 王天祥, 雷刚, 吴静怡

2023,57 (6): 739-746.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.504

摘要 ( 235 )

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表面张力驱动下的内角流动理论为空间液体管理装置的设计提供重要支撑,其动态流动过程中的液体流量、流速、液面位置等参数是决定液体管理性能的关键因素.在实际应用中,受到加工条件的限制或为了提高机械承载能力,内角尖端通常存在一定的钝度.采用理论分析与实验验证相结合的方法,定量分析了钝度对内角流动特性的影响规律.结果表明,在钝度一定的条件下,液面运动距离与时间的1/2次方始终保持近似正比关系,且钝度越大毛细流动的速度越低.通过基于磁补偿原理的微重力模拟流动实验,初步验证理论模型的正确性.并将理论模型应用于以液氢和液氧为代表的低温推进剂的表面张力输运过程,发现不同条件下的流量变化规律,为低温推进剂表面张力式液体管理装置的设计提供重要基础数据.

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考虑阶跃型地面的翼型前飞气动特性影响研究

徐晓刚, 张扬, 昌敏, 陈刚

2023,57 (6): 747-756.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.380

摘要 ( 268 )

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翼型前飞过程中,地面效应带来的气动力影响难以忽略,尤其在地面结构产生突变时翼型的气动性能必然产生较大变化.通过NACA4412翼型算例,研究了翼型前飞过程中阶跃型地面引起的气动性能影响,分析高度和迎角两种因素与翼型气动性能的相关性.结果表明:在阶跃型地面作用下,翼型前飞在地面效应缺失时会引起翼型升阻比陡降,且与离地高度存在线性关系.离地攻角则与气动性能突变之间存在相反关系,即翼型脱离地面时需维持较大迎角才能减弱气动性能陡变效应,舰载机的起降过程属于典型的阶跃型地面.基于上述结果,为地面效应影响下翼型的气动设计提供参考.

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