波浪作用下重力式平台地基中孔隙水压力的实验研究与有限元分析

本文利用模拟波浪加载的模型试验,研究了重力式平台地基中孔隙水压力的变化规律,用考虑振动与固结耦合的分析方法对试验模型进行了有限元分析。计算结果与实测数值具有良好的一致性,可将分析方法推广到原型平台地基的分析计算中。     

浅水区波浪非线性效应对砂质海床动力响应的影响

以广义Biot动力固结理论为基础,运用一阶椭圆余弦波和二阶Stokes波等非线性波浪理论考虑浅水区波浪荷载的非线性效应,在时域上采用有限元方法对非线性波浪力作用下饱和砂质海床的动力响应进行了数值求解,并与线性波浪作用下海床动力响应特性进行了对比分析。结果表明,随着波长与水深之比L／d及无量纲参数T(g/d)^1/2的增大,非线性波浪对海床动力响应的影响增大。与线性波浪理论相比,孔隙水压力与有效应力幅值的增大效应非常显著。因此在近海海洋建筑物设计与工程场地评价中,波浪力的非线性特性必须引起注意。     

基于有限元方法对鲆鲽网箱耐流特性的数值模拟

鲆鲽网箱结构在海中受到水流的冲击作用会发生运动与变形,针对鲆鲽鱼特有的栖底习性,为确保网底结构的稳定有必要对其进行动力分析。为此利用有限元方法建立了流场中网箱受力和变形的数学计算模型,运用该数学模型对底框中加有支撑管结构并装配方形网目网衣的鲆鲽网箱整体位移进行了数值模拟。数值模拟结果表明,网箱的网衣部分在水流作用下形态变化比较大,网底的水平位移与垂直位移随流速的增加而增大,而网箱的底框架在不同流速条件下均能保持在水平位置,且未发生明显的倾斜。由此可见,此类鲆鲽网箱具有较好的耐流性能。     

非结构化网格下椭圆型缓坡方程的数值求解

椭圆型缓坡方程是一种用线性波浪理论研究近岸波浪传播变形的有效波浪数学模型。非结构化网格下的有限容积法不仅对复杂边界的适应性好,还能保证迭代求解过程的守恒性。建立了非结构化网格下的椭圆型缓坡方程数值模型。在模型中采用非结构化网格下的有限容积法对椭圆型缓坡方程进行了数值离散,结合GPBiCG(m,n)算法求解离散方程。数值计算结果表明,该数值模型可有效地用于模拟近岸缓坡区域复杂边界下波浪的传播。     

重力式与碟形网箱的锚绳受力特性比较

针对常见的重力式、碟形和拟碟形网箱在不同下潜深度状态下的锚绳受力特性进行了试验研究.试验共设模型4组,分别在纯流、纯波以及波流联合条件下进行.测力通过系缚于锚绳底端的4个拉力传感器获得.试验结果表明水流作用力的大小在很大程度上受网箱结构形式的影响,而在波浪条件下其影响相对较小.重力式网箱的配重形式及下潜形式对网箱的受力具有重要影响.另外,网箱在波流组合条件下的受力并不是纯流及纯波单独作用下的简单叠加.最后,在综合比较网箱价格和性能的前提下,对网箱结构形式的选择进行了一些讨论,并提出若干建议.     

圆形重力式网箱阻力性能研究

采用网箱模型试验 ,对周长 5 0 m,深 8m的 HDPE双管圆形重力式网箱 ,在不同配重、网片规格和流速条件下的阻力性能进行研究。结果表明 ,在 2 .5 kn的相对流速范围内 ,网箱的整体阻力在 75 0 0 kg以内 ;在网箱整体阻力中 ,框架及重锤阻力所占比重较小 ,而网箱箱体阻力占近90 %。不同重锤配重的网箱 ,其整体阻力与流速均呈幂函数关系 F=a Vb,网箱重锤配重增加 ,网箱阻力也随之增大 ,而重锤配重变化对网箱阻力的影响程度又随流速的增加而减小     

一种基于有限元原理的养殖网箱耐流特性的数值计算方法

对养殖网箱在海流作用下变形而导致的网箱养殖空间减少的有效把握,是网箱设计计算的核心课题之一。本文提出1种基于有限元原理的用于预测养殖网箱耐流特性的数值模拟方法,以期依据计算机模拟结果,在一定程度上代替传统的模型试验和海上实际测试,寻找提高网箱耐流特性的技术措施和解决方案。     

斯里兰卡南部海域次重力波特征研究

次重力波在近岸水动力运动过程中起到重要作用,深入地了解次重力波对预防其引发的近岸灾害有着重要意义。结合波浪现场观测方法和数值模拟方法研究了斯里兰卡南部海域次重力波特征。短波和自由次重力波通过海浪谱模型WAVEWATCH III模拟,而约束次重力波通过二阶非线性理论模拟,数值模拟结果与现场观测结果对比吻合良好。研究结果表明,斯里兰卡南部海域大部分时间以自由次重力波为主;在强涌浪海况下（短波波高大于2.5 m,周期大于15 s）约束次重力波逐渐逼近自由次重力波甚至占主导地位;斯里兰卡大陆架极其狭窄,对涌浪的能量损耗作用极为有限,使得近岸面对强劲的涌浪及其伴生的次重力波的侵袭,增大了次重力波引发近岸水动力灾害的风险。     

多方向不规则波传播变形数值模拟

在推广的缓坡方程数学模型基础上建立了多方向不规则波数学模型,综合考虑了波浪折射、绕射、反射、底摩擦和风能输入等因素。基于线性波浪理论,将波浪方向谱在频率和方向上按等能量分割法离散后,分别计算各组成波的传播变形,再计算合成波要素。缓坡方程数学模型采用改进的ADI法求解,计算效率高,稳定性好。采用椭圆形浅滩不规则波模型试验结果和单突堤不规则波绕射理论解对数学模型进行了验证,数值模拟结果和试验值及理论解符合良好。利用该模型进行了某港港内波浪折射、绕射和反射的联合数值模拟,给出了合理的港内波高分布。     

单点系泊潜标系统动力学建模与姿态分析

通过对单点系泊潜标进行动力学分析,利用集中质量法建立系统的动力学模型,编制Matlab仿真程序,通过数值模拟获取不同海流条件下,分析潜标系统的姿态。文中将一个典型潜标系统的浮球、锚链、重力锚等部件,利用集中质量法简化为节点,通过模拟真实环境中的海流流速在垂直方向的分布,设计1～5 m/s的流速剖面分布。将节点的物理参数和海流参数代入仿真程序中,得到各节点的姿态、节点间张力以及重力锚与海底摩擦力等数据。分析仿真结果,海流流速与节点的偏降、节点间的张力以及重力锚与海底的摩擦力成正比,仿真结果与实际情况相符。文中设计的建模方法和仿真程序可以为单点系泊潜标的总体设计、姿态估算、锚系配置提供工程参考。     

Numerical simulation of the effects of fish behavior on flow dynamics around net cage

The computational fluid dynamics study is performed to analyze the impact of the cultured fish on the flow field through net cage and the deformation of net cage. The shear stress turbulent k-omega model is applied to simulate the flow field through the net cage, and the large deformation nonlinear structure model is adopted to conduct the structural analysis of the flexible net cage. To validate the net-fluid interaction model of the net cage in current, a series of physical model tests are conducted, which indicate that the numerical model can accurately simulate the flow field around the net cage and the deformation of the net cage. A fish model is used to simulate the effect of fish behavior on the flow pattern around the net cage and the deformation of the net cage. In addition, the flow fields around the net cage in current are investigated considering different fish group structures, fish swimming speeds, fish distributions and fish stocking densities. The results indicate that the circular movement of fish in the still water leads to a low pressure zone at the center of net cage, which causes a strong vertical flow along the center line of the net cage. The drag force on the net cage is significantly decreased with the increasing fish stocking density, but the most severe deformation of net cage occurred in the case of medium fish stocking density.     

规则波在浅水中运动及破碎的数值计算

利用一维Boussinesq方程描述了在浅水中的波浪运动以及破碎情况。在方程中引入了表面翻滚的概念，认为翻滚的水体是以波速运动的，翻滚的作用表现在水平速度的垂直分布上，产生了附加迁移动量项。通过对Airy波在浅水中运动以及破碎情况的研究，得出的一些结论与Schaeffer和合田的成果吻合良好。     

Linear and nonlinear irregular waves and forces in a numerical wave tank

A time-domain higher-order boundary element scheme was utilized to simulate the linear and nonlinear irregular waves and diffractions due to a structure. Upon the second-order irregular waves with four Airy wave components being fed through the inflow boundary, the fully nonlinear boundary problem was solved in a time-marching scheme. The open boundary was modeled by combining an absorbing beach and the stretching technique. The proposed numerical scheme was verified by simulating the linear regular and irregular waves. The scheme was further applied to compute the linear and nonlinear irregular wave diffraction forces acting on a vertical truncated circular cylinder. The nonlinear results were also verified by checking the accuracy of the nonlinear simulation.     

Dynamic analysis of hydrodynamic behavior of a flatfish cage system under wave conditions

This paper presents a simulation model based on the finite element method. The method is used to analyze the motion response and mooring line tension of the flatfish cage system in waves. The cage system consists of top frames, netting, mooring lines, bottom frames, and floats. A series of scaled physical model tests in regular waves are conducted to verify the numerical model. The comparison results show that the simulated and the experimental results agree well under the wave conditions, and the maximum pitch of the bottom frame with two orientations is about 12o. The motion process of the whole cage system in the wave can be described with the computer visualized technology. Then, the mooring line tensions and the motion of the bottom frame with three kinds of weight are calculated under different wave conditions. According to the numerical results, the differences in mooring line tensions of flatfish cages with three weight modes are indistinct. The maximum pitch of the bottom frame decreases with the increase of the bottom weight.     

方形网箱水平波浪力的迭加计算和实验验证

采用小直径圆柱体绕流理论和网渔具理论为基础的经验水动力计算法，分别考虑网箱框架是刚性体、网衣和绳索是柔性体的特征，结合正弦波理论对方形网箱及其构件受到的水平波浪力特性进行了分析研究，理论给出了波浪力迭加计算法，并把计算结果与小尺度的网箱水槽实验进行对比验证。结果表明，计算数值与试验数据较接近，平均误差率在15％以内。网箱水平波浪力呈周期性、不对称变化，在波浪周期小于0.72s时，主要以框架的波浪力为主，反之以网衣的为主。在波长为0.8m、周期为0.72s、水深为0.7m、波高为68.3mm情形下，计算结果显示网箱的框架尺寸和形状及其系泊、布局的选择应根据实际海况而定，网箱高度可适当增加，当设置水层下降深度相对于网箱高度比率为20％-40％，时，波浪力峰值下降相对率达68.03％-88.20％，表明可以较大程度地降低其波浪力。     

圆柱形沉浮式深海养殖网箱的受力分析

应用一系列力学关系，研究了深海圆柱形沉浮式养殖网箱所承受的波浪力情况。导出深海沉浮式养殖网箱的运动方程，并给出数值计算。在网箱波浪力的研究中采用绕射理论和Morison方程，讨论了在波高、波长及周期变化下水动力的变化趋势，得出网箱所受到的水平波浪力远大于竖直波浪力，波高的变化对波浪力的影响最大的结论，为深海网箱的设计校核提供1种参考方法。     

Analysis of hydrodynamic behaviors of gravity net cage in irregular waves

Based on the lumped-mass method and rigid-body kinematics theory, a mathematical model of a gravity cage system attacked by irregular waves is developed to simulate the hydrodynamic response of cage system, including the maximum tension of mooring lines and the motion of float collar. The normalized response amplitudes (response amplitude operators) are calculated for the cage motion response in heave and surge, and the mooring line tension response, in regular waves. In addition, a statistical approach is taken to determine the motion and tension transfer functions in irregular waves. In order to validate the numerical model of a gravity cage attacked by irregular waves, numerical predictions have been compared with the experimental observations in the time and frequency domain. The effect of wave incident angle on the float collar motion, mooring line tension and net volume reduction of the gravity cage system in irregular waves is also investigated. The results show that at high frequencies, the cage system has no significant heave motion. It tends to contour itself to longer waves. The variation amplitude of mooring line forces decreases as the wave frequency increases. With the increasing of wave incident angle, the horizontal displacement of the float collar increases.     

基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究

准确确定越浪量对于斜坡堤设计有重要意义。利用格子Boltzmann方法(LBM),并采用主动吸收式速度入口造波、出流边界消波、VOF方法追踪自由表面以及静态Smagorinsky模型模拟紊流运动,建立二维数值波浪水槽,对光滑斜坡堤上规则波与不规则波越浪进行数值模拟。模拟结果与试验值及其他数值模型结果比较表明,二维LBM数值波浪水槽具有模拟斜坡堤越浪的能力,但对于破碎较为剧烈的越浪过程模拟,该模型还存在一定的不足,未来可从提高自由表面模型精度等方面进一步改善其性能。     

水下平板与波浪相互作用完全非线性数值模拟(英文)

利用完全非线性数值波浪水槽技术研究水下平板与波浪的相互作用。假定水下平板厚度极薄、刚性,位于有限水深并且非常接近自由水面。应用四阶龙格库塔方法追踪每一时刻的波面形状,采用阻尼层来吸收反射波以保证算法的稳定性,同时引入平滑和重组的方法抑制自由表面控制点的较高梯度。通过对波浪与浮动圆柱相互作用的数值模拟证实了数值波浪水槽方法的有效性,计算结果与线性理论吻合良好。在波浪数值水槽方法中引入造波板模拟波浪产生并与水下平板发生相互作用,应用傅立叶解析方法对波面变形、波浪力作了分析。结果表明在板非常接近自由水面的情况下会表现出现很强的非线性,揭示了线性理论的局限性。