波浪作用下管道冲刷暴发计算的边界元方法

管道冲刷暴发临界条件是海底管道设计和运营的重要参数。Sumer等给出了3个Keulegan-Carpenter(KC)数的波浪作用下冲刷暴发的试验曲线。但对于任意KC数,Sumer等的方法并不准确。因此,建立波浪作用下冲刷暴发条件计算方法,具有重要意义。因管道与床面相交形成了复杂的几何形状,管道与床面的交叉点是数值奇点,因而管道冲刷暴发临界条件计算较为复杂。本研究采用边界元方法计算波浪运动及渗流压力。边界元可准确地拟合海底与管壁边界,方便地处理管道与海床交叉点的数值奇点问题,并可直接计算出奇点处的垂向压力梯度,准确地计算冲刷暴发的临界条件。本研究计算结果与实测值符合良好。     

粘性泥沙在盐水中冲刷和沉降特性的试验研究

本文根据絮凝电化学理论,探讨了淤积物浓度对粘性泥沙起动切应力的影响,获得起动切应力τc与淤积物浓度S的相关式τ_o=KS~(2·33) 该公式得到众多试验资料的证实。冲刷试验表明,具有均匀容重的底床在不同水流切力下,冲刷率随时间基本成直线变化,自养密实底床的冲刷率随时间呈指数曲线变化。试验结果还表明均匀容重底床的冲刷率与水流流速近似成四次方关系,论文运用了窦国仁博士从能量原理获得的床面泥沙动密实系数概念,获得冲刷率的表达式为 E=(K_0)/(C_0~2)-(γsγ)/(γs-γ)(V-V_c)V~3/gdω     

后台阶下游床面冲刷过程数值模拟研究

以床面瞬时剪应力作为泥沙起动及输运的水动力机制,建立了结构物周围复杂流场下床面局部冲刷的数学模型。并应用大涡模拟方法对后台阶下游三维湍流流动进行数值模拟,得到台阶下游床面瞬时剪应力的分布规律。为了确定床面瞬时剪应力与泥沙上扬通量的关系,先应用数学模型对不同模型参数下,冲刷开始后5分钟时台阶下游床面形状进行试算。通过试算与实验结果的比较,确定床面瞬时剪应力与泥沙上扬通量关系中需要的模型参数。进一步对冲刷开始后30分钟内台阶下游床面演化规律进行模拟,模拟结果与实验结果相符合。     

桩周局部冲刷三维数值模拟

用数值模拟手段研究桩周冲刷越来越引起人们的重视.基于OpenFOAM开源CFD软件,采用VOF方法处理自由水面,通过动网格技术考虑床面地形随时间的变化,构建起桩周局部冲刷的动态三维数学模型.其中,通过改进沙滑模型以修正当生成的剖面坡度超过泥沙休止角时造成的模拟失真,同时克服数值计算的不稳定性.计算结果和水槽实验资料对比分析,二者符合较好.     

河口海岸泥沙输移的分组数学模型研究

根据河口海岸水沙输移的特点,建立了一个新的二维分组数学模型,用来预测该区域的水沙输移过程。该模型耦合了水动力模块、泥沙输移模块和床面演变模块。其中水动力模块基于浅水方程组,综合考虑了柯氏力、床面切应力以及表面风应力的影响,引入干湿判断法处理动边界。泥沙输移模块首先将泥沙按照粒径分组,针对不同泥砂性质,对各组泥沙分别进行建模求解。床面演变模块基于质量守恒方程,实时更新床面高程以及床沙级配变化,并传递给水动力模块,更新底部边界。该模型被应用在了英国塞汶(Severn)河口,其预测的泥沙浓度和实测数据以及不分组的模型的预测结果进行了比较,结果显示,文中建立的分组模型预测的结果要明显好于不分组模型。     

植被对波浪作用下床面切应力影响的数值模拟分析

本文基于OpenFOAM建立三维波浪数值水槽,模拟计算植被水域波浪作用下的床面切应力,分析了入射波高、植被密度、植被淹没高度、水流对植被水域波浪作用下床面切应力的影响。结果表明:纯波时,由于植被的阻水作用,植被水域床面切应力沿程衰减,其衰减程度与入射波高、植被密度及植被淹没高度呈现正相关;与纯波时相比,在波浪和同向流共同作用下正向床面切应力幅值增大,负向床面切应力幅值减小;弱水流对植被水域床面切应力的大小及分布无明显影响;强水流时,床面切应力在植被水域先增大后逐渐减小并在植被水域后显著降低。     

单向流定床床面上水平管道周围流场与切应力分布特性

采用简化PIV方法,对悬空比G为0～1.6的单向流定床床面上水平圆柱绕流进行了系统的试验研究.通过对试验资料的分析,给出了圆柱绕流时的流场图和无量纲的床面、横管顶部和横管底部切应力的变化图,讨论了切应力随悬空比、管径、流速和水深的变化趋势.作者的研究成果有利于进一步研究海底管道的冲刷机理和冲刷坑的形成,进而有针对性的进行管道保护,减少管道破坏失效.     

床面冲淤计算机处理方法

冲淤计算是河流，河口，海岸等水域中分析，预测床面变化的基础，利用非结构网络自动剖分技术形成覆盖计算区域的三角网，能较好地适应边界和特殊地形，基于高程内插建立三角网数字高程模型，采用垂直三棱柱体作为基本单位计算不同时段冲淤量，从而提高计算精度，通过网络剖分，利用在计算区域内任意选择子域进行淤量的计算和分析。同时将生成的非结构网格直接有于二维床面冲淤数学模型，便于对每个节点的计算结果进行检证以提高模型的可靠性。     

基于CFD-DEM方法对海底管道床面冲刷的研究

采用计算流体力学—离散元耦合方法（CFD-DEM）模拟海底管道床面的冲刷过程。经过模型验证,该方法的计算结果与前人的研究具有较好的一致性,证明其可以应用于海底管道周围的冲刷模拟计算。冲刷初期的结果增强了目前对启动阶段粒子运动机理的理解,即管前后压力梯度造成的渗流作用导致粒子运动。对完整冲刷过程的模拟中,发现冲刷分为冲刷启动阶段、间隙冲刷阶段和尾迹冲刷阶段。间隙冲刷阶段管道下方粒子具有较大速度,冲刷坑快速向下方发展。进入尾迹冲刷阶段后,管道后方出现周期性脱落的涡旋,沙丘上的粒子速度更大。同时利用DEM更具直观性的独特优势,首次得到了14个典型位置处颗粒的运动轨迹和运动速度,对于理解冲刷过程中粒子的运动情况具有较大帮助。     

波浪作用下直立堤前床面边界层内传质速度

本文研究立波作用下的层流、紊流边界层内的流速和传质速度,并采用谱法将传质速度推广到不规则波情况.根据实验与计算分析,研究了床面边界层内传质速度在堤前冲刷中的应用.研究结果表明,在传质速度的峰值附近形成底沙的冲刷坑;由于不规则波作用下堤前传质速度的峰值沿程递减,因此相应冲刷坑的深度沿程减少.     

轴线倾斜海底管道冲刷速率试验研究

通过物理模型试验研究水流作用下轴线倾斜海底管道的三维局部冲刷问题。利用超声波探头监测管道下部冲刷沿管轴线方向的扩展过程,分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理。由模型沙的冲蚀试验,建立沙床面剪切应力与泥沙表观侵蚀速率之间的关系式,并引入经验公式对沙床面剪切应力放大系数、泥沙表观侵蚀速率以及远场床面剪切应力之间的关系进行表达。由倾斜管道模型试验,在分析冲刷扩展位置随时间变化数据的基础上,结合上述经验公式以及沙床面剪切应力放大系数与管道埋深的关系,建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。     

新鹤海湾的演变特征及水沙模拟分析

为准确把握新鹤海湾的演变特征和水动力条件,采用现场观测和GIS技术对其地形变化、冲淤分布和冲淤量进行探讨,并利用数值模拟分析波浪、潮流和泥沙共同作用对海湾演变的影响。结果表明:海湾演变对连续台风的响应不同,表现为先冲后淤,其中苏拉作用下的冲刷量为台风过境后全年的2倍左右;受东南季风的影响,春夏冲淤幅度较大,海湾冲淤分布为南冲北淤,波高分布不均与涨潮流入湾时的向北偏转是其主要原因;波流共同作用下的底床切应力约为潮流单独作用时的10倍,波浪是导致海湾冲刷的主要因素,常浪下底床切应力小于临界冲刷应力,泥沙不易起动,因此海湾冲刷主要是由极端天气时的大浪所导致的。     

粉沙海床管道在联锁排防护下的冲刷试验研究

采用当地海床的天然粉沙进行试验床面的设计,对海底管道在实际海床受到的极限波浪和最大水流作用进行试验,在管道上方铺设混凝土联锁排,对联锁排块体稳定性和其对管道防护的有效性进行研究。通过物理模型试验,研究了在极限波浪和最大水流作用下,管道在粉沙床面最大冲刷深度。通过不同水深中波流条件下研究了混凝土联锁排防护效果及其周围床面的冲刷变化,观测了联锁排的稳定性。试验结果表明:按半经验半理论简化公式得出的联锁排厚度能满足稳定性的要求,比水利部规范计算的联锁排厚度偏大的公式更加适合应用,试验期间混凝土联锁排的排面稳定,能有效保护管道,在该防护下管道没有冲刷,只在联锁排上下游与床面接触的来流段和尾端有冲刷,但该冲刷深度不影响联锁排整体的稳定性。     

波流作用下海底边界层沉积物再悬浮与影响因素研究

海底沉积物再悬浮及其分布取决于海洋水动力、沉积物类型与床面形态之间复杂的相互作用,准确地理解和确定沉积物再悬浮过程对于沉积物输运的研究具有重要的意义。本文在祥云湾海洋牧场典型海域开展现场原位观测,获取研究区波浪、海流及悬浮沉积物浓度数据;分析了波、流作用下海底边界层悬浮沉积物垂向分布特征,并探究了海洋水动力和床面形态对悬浮沉积物垂向分布的影响。结果表明,研究区波流之间的相互作用不显著,沉积物再悬浮受控于风暴浪作用,风暴浪作用下底床切应力可以达到沉积物临界切应力的10～15倍,沉积物的再悬浮滞后于风暴浪作用2～3 h。在波浪荷载微小的情况下,悬浮沉积物垂向分布呈现"I"型,波浪荷载下,悬浮沉积物垂向分布呈现幂指函数分布,表现为"L"型;床面形态随波、流作用而演化,影响沉积物的再悬浮过程,u_(?w)/u_(?c)=1.00可作为波浪和海流起主导控制作用的床面形态的判别依据,纯波浪荷载作用下的u_(?w)/u_(?c)显著高于波浪主控作用下,但二者之间的界线随着波浪荷载的增加而升高。     

低风速涌浪条件下浪致应力的研究

本文基于2012年2月15日至5月8日的广东省茂名市附近海上铁塔实测数据,分析了海气边界层的湍流运动。结果证实,在涌浪条件下,协谱和Ogive曲线存在明显受涌浪影响的区域。本文进一步研究,发现浪致雷诺应力的正负符号变化与波龄相关,并给出了顺风向和侧风向浪致雷诺应力正负符号反转时波龄的统计分布。此外,本文基于协谱法提取了浪致雷诺应力τ_swell,并与传统方法得到的浪致雷诺应力τ_*swell做比较。结果表明,整体上τ_swell比τ_*swell大2～3个量级,这意味着传统方法显著低估了涌浪的浪致雷诺应力,传统的浪致雷诺应力计算方法还有待改进。     

基于快速成型技术的抛弃式探头模型设计

抛弃式探头下沉数学模型的有效性及其运动的CFD仿真计算方法,都需要在较短时间内设计并制作模型实物,以进行实验验证。利用计算机辅助设计结合三维快速成型技术制作了探头模型,并在实验室水箱环境下进行了模型实验。探头模型的质量调整精确度较高,变化范围小于0.6 g,且重量分布均匀,下沉运动方向平稳;可控制其在有效实验水深内达到需要的下沉速度,利用高速摄像和图像处理后得到的实验结果准确可靠,可作为提高CFD仿真计算方法准确性的依据。     

低风速涌浪条件下浪致应力的研究

本文基于2012年2月15日至5月8日的广东省茂名市附近海上铁塔实测数据,分析了海气边界层的湍流运动。结果证实,在涌浪条件下,协谱和Ogive曲线存在明显受涌浪影响的区域。本文进一步研究,发现浪致雷诺应力的正负符号变化与波龄相关,并给出了顺风向和侧风向浪致雷诺应力正负符号反转时波龄的统计分布。此外,本文基于协谱法提取了浪致雷诺应力τ_(swell),并与传统方法得到的浪致雷诺应力τ_(~*swell)做比较。结果表明,整体上τ_(swell)比τ_(~*swell)大2～3个量级,这意味着传统方法显著低估了涌浪的浪致雷诺应力,传统的浪致雷诺应力计算方法还有待改进。     

立波作用下的底沙运动

立波作用下的底沙运动关系到港口的规划和建筑物的安全。本文以实验为基础，综合前人研究成果，得到立波作用下床面形态及冲刷类型。对较粗颗粒底沙在立波作用上进行受力分析，得到了一周期内沙粒累计推移距离，净输沙率及冲刷强度。认为冲刷形态的不同与近底速度和加速度的分布密切相连。     

直立堤前海床的局部冲刷

对不规则波作用下直立堤前海床的局部冲刷进行了研究。研究了由于波浪作用导致床面的底沙运动,从而造成提前海床的局部冲刷,即所谓的“相对粒沙”的情况。报导了;(1)堤前海床面为水平、堤下无基床情况下的堤前局部冲刷,以及堤下有明基床时基床尺度对堤前局部冲刷的影响;(2)堤前海床面为斜坡面时堤前的局部冲刷,以及当堤下有明基床时基床尺度对堤前局部冲刷的影响;(3)从波浪作用下床面边界层的理论分析出发,对于在不规则波作用下,离堤面愈远处的冲刷坑深度愈小的事实给出了解释。     

波浪水流共同作用下人工岛周围局部冲刷的研究

本文采用系列模型延伸法研究粉砂质海床上的人工岛在波浪和水流共同作用下的局部冲刷问题。对两个不同比尺的模型岛进行动床实验，测得模型岛周围底砂的冲刷深度及冲刷范围，将这两个比尺模型的实验结果经延伸而获得原体人工岛周围可能发生的最大冲刷深度。同时，在理论上探讨了模型与原体之间最大冲刷深度的比尺关系。研究中对三种不同方向组合的波流作用下人工岛周围的局部冲刷进行了实验，结果表明，以波流同向时的冲刷最为严重。