内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——II.数值模拟

柱体受内波作用力的数值模拟大多针对圆柱展开,方柱在内波环境下受力特性研究较少。借助三维数值波浪水槽,采用大涡模拟（LES）技术研究了内孤立波的产生、传播及其对不同形状柱体的受力特性。对比分析了内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的影响规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,无论在上层或下层水体,方柱表面的压力分布更不均匀,迎流面与背流面的压差更大,从而导致方柱相较于圆柱会受到更大的水平作用力。     

水平圆柱强迫振荡水动力特性的数值模拟

为了研究处于自由面以下完全淹没状态的水平圆柱在强迫振荡运动时的水动力特性,采用基于黏性流理论建立的二维两相流数值波浪水槽模型,对不同液相黏性条件下强迫振荡水平圆柱的受力进行计算,并对压力、黏性切力和圆柱运动之间的相位关系特征进行对比和分析,进而结合流场分析解释黏性影响机理。结果表明:黏性切力和涡旋压力对流体作用力的贡献差别是导致不同流体黏性下流体作用力结果差异的主要原因;涡旋运动相对圆柱振荡运动的滞后性受流体黏性影响显著,导致不同流体黏性下压力之间有相位差;流体水质点相对于圆柱的滞后运动在大黏性流体中更为显著,这导致了其黏性切力的相位超前现象。     

水平圆柱强迫振荡水动力特性的数值模拟

为了研究处于自由面以下完全淹没状态的水平圆柱在强迫振荡运动时的水动力特性,采用基于黏性流理论建立的二维两相流数值波浪水槽模型,对不同液相黏性条件下强迫振荡水平圆柱的受力进行计算,并对压力、黏性切力和圆柱运动之间的相位关系特征进行对比和分析,进而结合流场分析解释黏性影响机理。结果表明:黏性切力和涡旋压力对流体作用力的贡献差别是导致不同流体黏性下流体作用力结果差异的主要原因;涡旋运动相对圆柱振荡运动的滞后性受流体黏性影响显著,导致不同流体黏性下压力之间有相位差;流体水质点相对于圆柱的滞后运动在大黏性流体中更为显著,这导致了其黏性切力的相位超前现象。     

近岸波生流运动三维数值模拟及验证

开发建立了近岸波生流运动三维数值计算模式。模式中,引入了三维时均剩余动量、破波表面水滚、波浪水平与垂向紊动作为主要驱动力,同时考虑了波流共同作用的底部剪切力。推导了可综合反映底坡、能量传递率和密度影响的水滚能量传输方程;将Larson-Kraus的二维波浪水平紊动系数表达式拓展至三维。采用大量实测数据和文献资料测试验证了所建模式,表明所建模式可有效模拟波浪增减水、底部离岸流、沿岸流、裂流、堤后环流等不同维度的波生流现象。此外,研究也表明破波水滚效应可解释波生流峰值向岸推移的物理现象,从而在模拟中不能忽略;破波带内沿岸流速垂向较为均匀的现象与波浪附加垂向紊动有关。     

波流环境中垂向圆管射流三维运动和稀释过程模拟

采用大涡数值模拟方法建立了波流环境中垂向圆管射流三维物质输运数学模型,在此基础上分析了波流共同作用下射流运动和稀释过程,并探讨了波浪对射流三维时均浓度特征的影响。数模结果与实测数据的对比表明,该模型能够正确复演波流环境中射流速度和浓度沿水深分布的规律。引入了射流的三维浓度特征指标,即断面最小稀释度及其垂向位置和断面可视范围面积,发现随着波高或波周期的增大,波流环境中射流的断面可视范围面积逐渐增加,这说明波浪对射流的稀释起到一定的促进作用。     

内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——Ⅰ.物理实验

随着近岸海洋的开发,海洋石油钻井平台底部的柱状支撑以及海洋中石油管线等水下结构物的安全问题受到的关注日益增多。而内孤立波对水下结构物的安全有着不可忽视的影响,这就决定了内孤立波对柱体受力的研究在工程实践中具有重要意义。国内外就内孤立波对柱体作用力的物理试验研究较少,而在分层流环境下圆柱和方柱受力规律的对比研究更鲜有报道。在大型重力式分层流试验水槽中,借助一套新型且专用于分层流环境下的内孤立波造波及水动力测力系统,进行了内孤立波环境下柱体受力规律的试验研究。对比分析了不同内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的作用规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,方柱相较于圆柱会受到更大的水平力。研究成果可为分层流环境中柱体设计及安全评价提供科学依据。     

落石冲击混凝土棚洞力学特性研究

落石冲击棚洞结构作用过程复杂,缺乏统一的落石冲击力表达式。首先,将落石简化为刚性球体,基于Hertz接触理论,推导得到落石冲击力半正弦算法的理论表达式,考虑落石冲击下棚洞的非弹性特征,根据落石与材料碰撞过程中落石加速度曲线特征,采用函数拟合法推导得到落石法向冲击下其冲击力的理论计算方法;然后,基于ANSYS/LS-DYNA软件建立落石冲击棚洞数值计算模型,研究不同冲击速度下落石冲击棚洞动力特征;最后,与现存常见的多种方法进行对比,得出以下结论：Hertz半正弦法得到的落石冲击力远大于函数拟合法和数值法,而函数拟合法和数值法得到的落石冲击力时程曲线相接近,表明函数拟合法更能反映落石与棚洞接触碰撞动力关系;对比其他计算方法可以得到,Hertz算法适用于分析无能量损失下的弹性碰撞问题,而Logistic算法适用于材料大塑性变形的情况,弹塑性接触理论结果和动力有限元结果存在差异,而采用函数拟合推导的计算方法得到的落石最大冲击力和落石冲击作用时间与动力有限元法更接近,更能反映落石冲击棚洞动力响应特征,推导的落石冲击力计算方法可为工程实践中棚洞防护设计提供理论参考。     

有槽沙坝海岸交叉波浪作用下裂流特征

研究叠加波浪场作用下的裂流特征,有助于全面深入开展海岸裂流的致灾机理及风险评估。为分析水动力和水底地形共同作用下形成的裂流特征,开展了交叉叠加波浪作用下有槽沙坝海岸的裂流流动特征试验,即同时考虑沿岸地形变化（存在沟槽）和交叉波浪共同作用所形成裂流。通过对裂流槽附近ADV（Acoustic Doppler Velocimetry）流速测量结果,分析叠加波浪场和裂流沟槽同时存在时所产生的裂流分布特征。裂流中心位置和宽度受裂流槽和波浪节点共同控制,裂流长度依赖于波高和海岸坡度。无槽情况裂流的驱动力主要是由波浪沿岸不均匀所产生的平均水面沿岸压力梯度,有槽情况裂流的驱动力由平均水面沿岸压力梯度和辐射应力沿岸梯度共同决定,二者量值相对大小依赖于波浪周期。     

规则波作用下垂直圆管负浮力射流的数值模拟

高密度盐水排放是海水淡化领域一个复杂和常见的物理现象。为研究波浪作用下盐水射流的水动力特性,建立了规则波作用下垂直圆管负浮力射流三维水动力数学模型。利用试验数据对数值计算结果进行验证,两者吻合较好。基于数值计算结果,分析规则波作用下垂直圆管负浮力射流流体扩散特征,研究规则波对负浮力射流三维时均速度以及瞬时浓度的影响。结果发现:入射波波高和周期对射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减指数影响不大,而对衰减系数影响较大;随着波高或波周期的增加,射流特征速度半宽增加,射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减系数减小,有助于射流流体在环境水体中的扩散。另外,建立了考虑浮力效应的波-射流动量比影响的射流中轴上量纲一平均速度衰减系数、平均特征半宽公式,可以为相关实际工程提供一定的参考。     

碎屑流冲击下的桥墩动力响应特征分析

碎屑流以其高动能和强大的破坏力被视为我国西南片区最危险的地质灾害之一,它不仅对人民群众的生命财产造成极大的危害,并且威胁到桥梁、铁路等国家的基础设施建设。本文就碎屑流冲击条件下的桥墩为研究对象,以两种不同形状的桥墩(圆柱桥墩、矩形桥墩)以及桥墩离碎屑流的物源区距离为研究条件,以离散元方法为研究手段,着重研究了碎屑流冲击桥墩时候的动力响应情况。结果表明:在相同规模以及相同距离的碎屑流条件下,圆柱形桥墩所受的瞬时冲击力的法向应力要小于矩形桥墩,切向应力则大于矩形桥墩,其所受最大冲击力以及平均冲击力都小于矩形桥墩,并且给出了物源区距离对桥墩所受冲击力的影响。研究结果对实际防灾工程有一定的指导意义。     

圆形支护结构的拱效应等效支撑计算方法

从弹性力学中圆筒受均布荷载的解出发,把圆形支护结构作为弹性地基梁,把圆形支护结构的拱效应作为支护结构的等效支撑作用在弹性地基梁上,从而得出了一个计算圆形支护结构内力和位移的拱效应等效支撑方法。工程实例的计算表明,该方法是实用而有效的。     

脉动激励下的浅埋管道轴向应力分析

考虑土体-结构-流体耦合作用,研究流体脉动对浅埋输液管道轴向应力的影响.基于流固耦合、管-土耦合理论,建立了浅埋管道动力学分析模型,应用力平衡条件,推导了浅埋管道的静力及动力方程,并利用行波方法求取了动力方程的解析解.在此基础上,研究了管道应力特性.结果表明:流固耦合对浅埋管道应力有较大影响,较小幅值的压力脉动可使管道应力大幅增加.同时,讨论了管道埋深、土质条件及管道半径对管道应力的影响.在相同流体脉动激励下,管道应力随覆盖层厚度、土体刚度、管道半径增加而减小.     

平直沙坝海岸叠加波浪的裂流试验

为研究叠加波浪场的裂流特征,在平直沙坝海岸地形进行了叠加波浪形成的沿岸波高周期性变化的裂流试验研究。试验中叠加波浪是由波浪在垂直岸线的丁坝反射所形成的两列交叉波浪叠加产生,交叉波浪是具有等频率但入射角相反的两波列。通过对叠加波浪节腹点垂直岸线位置浪高的测量和沙坝范围内沿岸布置的声学多普勒测速仪流速测量结果来分析沙坝海岸丁坝反射波形成的裂流特性,讨论了波浪节腹点对裂流位置和裂流空间尺度的影响。对不同周期情况在x=5 m沙坝顶处的速度剖面对比,分析了不同周期对裂流的影响。     

Slope stability analysis based on the direct comparison of driving forces and resisting forces

The paper disproves a commonly accepted concept that the slope stability problem cannot be correctly solved without invoking the auxiliary static assumptions. The given slope stability analysis is based on the direct comparison of the driving force tending to induce a movement of the slope mass and the mobilized resisting force. A problem of separating the driving forces from the resisting forces is resolved by subdividing an area of the assumed slide mass into two segments wherein the driving forces dominate over the resisting forces at the first segment and vice versa at the other. The slope stability is assessed by the stability index that is equal to a ratio between the resisting forces and driving forces. The stability problem is reduced to determining and analyzing a distribution of the interslice force along the slip line length. A system of recurrence dependencies involving the components of the interslice force and the vertical coordinates of the thrust line is derived from the complete system of the slice equilibrium equations (equilibrium of the horizontal and vertical forces and the force moment equilibrium). This system falls into two subsystems of relations one of which involves only the components of the interslice force. From this it follows that a distribution of the interslice force does not depend on the thrust line position. The slope safety factor regulated by the design manuals for mobilizing the soil shear strength along the slip line is prescribed in advance. A computer program is developed for solving the governing recurrence relations and computing the slope stability index. The applicability of the program is confirmed by solving the problem on a calculation of the critical safety factor for three shapes of the slip line (a circular arc, and a cubic and quadratic parabola) and the stability problem of the real inhomogeneous slope consisting of four layers. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

泥石流对桥墩冲击力的试验研究

泥石流冲毁桥墩是桥梁在遭受泥石流冲击时的常见破坏形式。为了研究泥石流对桥墩的冲击力大小,通过调整黏土、沙、石子、水的不同含量,配置不同流变特性、不同密度的泥石流,使用所配置的原料在泥石流槽内对两种形状（圆形、方形）的桥墩缩尺模型进行冲击,综合考察了流变特性、流速、桥墩形状以及冲击力的关系。试验表明：试验配置的泥石流原料流变特性差异明显,且可以用简单的选择流变仪测得,用牛顿流体或宾汉体描述。泥石流的流速可用曼宁公式求得,而公式中的糙率系数与泥石流黏度满足幂函数关系。相同工况下,不同形状桥墩所受的冲击力差异明显,方形桥墩阻力系数普遍大于圆形桥墩。使用非牛顿流体雷诺数（Re）可以综合反映流变特性和流速,因此,圆墩的阻力系数可表达为Re的函数,而方墩则没有明显关系。为方便工程应用,可根据黏性泥石流、稀性泥石流对圆墩的阻力系数分别为2.3、0.9,对方墩分别为2.6、1.9进行选用。     

斜椭圆应力路径下饱和松砂动力特性试验研究

利用空心圆柱扭剪仪模拟斜入射地震波作用形成的斜椭圆应力路径,对比研究了等向固结条件下饱和福建标准松砂在循环斜椭圆、圆形、扭剪、三轴路径下的动力特性。试验研究表明：土体循环孔压发展存在陡升型和陡降型两种模式;圆形路径下累积孔压增长速率最快,循环扭剪最小;归一化孔压与斜椭圆的倾角无关,但受斜椭圆长短轴比及动应力比影响。砂土的不排水动强度与动应力路径密切相关,循环扭剪和循环三轴最大,循环斜椭圆次之,圆形路径最小。地震波从特定角度入射时,形成近似圆形路径,若只将地震波视为垂直入射的S波,将高估地基土体抗液化强度。