动力锚安装新方法及其水动力学特性研究

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海上浮式结构都需要锚来固定。动力安装锚(Dynamically installed anchor,DIAs)作为海上浮式结构物的锚固基础,由于其自安装和造价低的优点受到越来越多的关注和应用。动力安装锚的形式包括鱼雷锚、多向受荷锚、深贯锚以及新型轻质动力锚等。动力安装锚的安装全过程主要包括两个阶段,分别是在水中自由下落和以足够的动能贯入海床中,对于多向受荷锚和新型轻质动力锚还包括在海床中旋转调节这一阶段,而借助助推器安装的组合锚则多了回收助推器这一阶段。目前对于动力安装锚在海床中的贯入深度以及旋转调节过程已经有了许多研究,而在水中自由下落这一阶段的研究还不够充分,尤其是考虑锚链影响的动力锚安装方法这个方面。因此,对动力锚安装方法的研究,以及更高效的安装方法的提出,有助于提高动力锚的安装成功率,降低安装成本,同时为实际工程提供指导。本文第一部分针对以往的动力锚安装方法的不足,提出了悬链安装法,通过一系列室内模型试验模拟了垂链安装方法和悬链安装方法下动力锚的自由下落过程。研究了不同安装方法、助推器质量、尾翼宽度、安装高度对动力锚的水动力学特性的影响。试验结果表明,悬链安装方法对动力锚的贯入速度影响较小,且能提升锚的方向稳定性,从而提高安装成功率,降低安装成本。而对于以往的安装方法,存在锚撞击在锚链上的可能性,造成安装失败。增加助推器的质量不仅能提高锚的贯入速度而且能提升锚的方向稳定性。本文第二部分采用基于计算流体动力学(Computation Fluid Dynamic,CFD)数值计算软件Ansys CFX 17.0,模拟了流体对动力锚的冲击和动力锚的自由下落过程。得到了对动力锚方向稳定性改善效果最佳的尾翼形式,以及锚链拖曳阻力系数和助推器质量对锚的水动力学特性影响规律。提出了基于牛顿第二定律的动力锚下落速度预测模型,并与模型试验结果对比得到了很好的验证。最后给出了动力锚安装设计方案流程,为动力锚的工程应用提供了依据。
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