背景流场对台风风暴潮数值预报的影响研究

选取了3个穿过台湾海峡的台风引起的台风风暴潮为算例,分别用SODA月平均流速资料做垂向平均后构建了台湾周边海域的大尺度背景环流场,利用国家海洋环境预报中心业务化的台风风暴潮模式对经过该海域的台风个例进行风暴潮数值模拟。将结果与验潮站潮位实测资料进行对比发现,在加入了背景流场后,能更好地模拟整个风暴潮过程,模拟结果更接近真实值,特别是对于原模式风暴增水峰值容易偏大的问题得到了改善,而且整体相对误差更小,提高了风暴潮模式的业务稳定性。     

布设间距对人工鱼礁流场效应影响的数值模拟

人工鱼礁在海中不同的布局方式会产生不同的流场效应.通过水槽与风洞模型实验很难对组合鱼礁流场全局进行观测,为此提出1种基于CFD原理的人工鱼礁流场特性的计算机数值模拟方法,模拟了不同流速条件下布设间距对方形组合礁体流场效应的影响.结果表明:数值模拟较好地反映了人工鱼礁周围上升流和背涡流的分布情况;当两礁体布设间距为1.5倍礁体尺寸时,所产生的上升流高度达到最大值;当布设间距为1倍/时,其上升流的影响面积为最大;当布设间距为1.5倍时所产生的背涡流效果最好;两礁体之间的最佳布设间距应为礁体尺寸的1～1.5倍.数值模拟结果与风洞实验结果基本相符,该结论可为人工鱼礁实际投放提供理论参考.     

系泊方式与结构外形对水下中部悬置构筑物稳定性影响的数值模拟研究

针对水下中部悬置构筑物,本文基于ANSYS中的Fluent和Aqwa模块,比较了单索单点系泊、三索单点系泊、三索三点系泊及球形、圆柱-半球形、碟形三种外形对其水中稳定性的影响。由数值模拟结果显示,在200 m水深,水流速度为2 m/s作用下,碟形构筑物采用三索单点系泊方式的稳定性更为优。     

围填海对伶仃洋水流动力的短期影响模拟研究

利用已经过验证的高分辨率三维海洋动力模型FVCOM,根据1984—2014年内伶仃洋的围填海变化情况,结合情景模拟案例,研究分析围填海对伶仃洋水流动力的影响,探究截流式和顺流式围填海对伶仃洋不同季节的水平余流场、垂向环流结构以及潮汐变化过程的影响。研究结果表明,围填海对伶仃洋的余流流向没有明显影响,但对余流速有较大的影响。在水平方向上,截流式围填海使得周边海域的余流速明显增大,增幅在0.02～0.25 m/s不等,其中口门区域受到的影响最大;相较于底层流场,表层流场受围填海的影响相对更大,围填海以南的较远海域在表层出现一条强度逐渐减弱的流速减小带,减幅在0.02～0.15 m/s不等,且影响范围与流场的分布密切相关,在夏季向南延伸,在冬季向西南延伸。顺流式围填海的影响则主要分布在伶仃洋两侧沿岸,并且不同季节的影响特点有一定区别,在夏季使得内伶仃洋东岸海域流速增大,但在冬季使其流速减小,变化幅度均在0.02 m/s以上。在垂直方向上,围填海使口门区域余流的纵向流速梯度增加,并且改变了伶仃洋余流的垂向分布情况,总体表现为远离围填海的海域表、底层余流的流速减小,中上层余流的流速增大;与此同时,围填海大幅度改变了周边海域的横向流速,并且在伶仃水道、矾石水道等区域产生了新的横向环流。围填海使得河口至围填海的余水位明显上升,使得伶仃洋海域的余水位下降,余水位梯度的增大是围填海周边余流速增大的主要原因。另外,围填海影响了伶仃洋的潮汐变化过程。在大潮期间,围填海改变了伶仃洋海域涨落潮时的潮流流速,使得周边海域落急流速增加,较远海域落急流速减小,而涨急流速都减小;同时,围填海使得海域涨落潮时的潮位受到一定影响。围填海最终使得伶仃洋的潮汐相位提前了20～35 min。     

辐射应力对台风风暴潮预报的影响和数值研究

台风过程期间,风暴潮和海浪是相伴相生的,相互作用的.波致辐射应力对于近岸风暴增、减水起着十分重要的作用,传统的海浪模式计算辐射应力耗时较多,不能满足业务化预报的要求.根据已有波浪辐射应力的理论表达式,经过严密的数学推导,适当的简化处理,提出了一个较为简单的波浪辐射应力表达式,并将其应用到业务化风暴潮数值预报模式中去,通...     

围填海工程对福建东山湾潮汐潮流动力特征的累积影响研究

近年来,福建东山湾内由于围海造陆等区域人类活动,使得湾内潮动力特征发生较为显著的变化。本文基于FVCOM (Finite Volume Community Ocean Model)海洋数值模式,构建了东山湾海域潮动力数学模型,并基于该模型分析了围海工程对海域潮动力的影响特征。研究结果表明：东山湾围海工程对整个海湾的急流时刻的影响主要集中在工程附近约5 km范围内,围海工程上下游附近区域流速显著降低,最大降低值约0.4 m/s,工程靠近海湾一侧区域流速增强,最大增加值约0.35 m/s。其次,东山湾围海工程造成湾内M2分潮振幅整体呈下降趋势,古雷围填海南侧附近下降最大为0.12 m。海域内潮汐不对称γ值显示,海湾内涨潮优势强于落潮,γ值从湾口向湾顶增大明显,湾口的γ值接近于0,湾顶附近海域可达0.54,表现出从湾口向湾顶潮汐的涨潮优势逐渐加强的特征。围海造陆工程造成附近北部区域涨潮优势增强,南部区域落潮优势增强。     

围（填）海工程对厦门湾潮流动力累积影响的初步研究

利用2007年厦门湾岸线和地形,对数学模型的参数进行验证,在验证结果达到规范要求的基础上,对厦门湾5个典型历史时期岸线和地形下的潮流场进行模拟计算,并根据数值模拟结果分析不同期间围（填）海工程对厦门湾潮流动力的累积影响.到2009年,通过嵩鼓断面和厦鼓断面的潮量分别减少了54.9%和24.5%,而通过同安湾湾口断面的潮量减少了23.7%.围（填）海工程对厦门湾湾内流速大小的影响比较明显,厦门西海域和同安湾海域的主要航道及湾口流速变化尤为明显.嵩鼓水道流速减少了40%以上,厦鼓水道流速减少了20%以上.结果表明：由于诸多围（填）海工程建设,致使海域面积大量缩小,进而引起了厦门湾纳潮量显著减少,潮流动力条件明显降低.     

南极威德尔海区域海冰异常对初夏东亚大气环流和天气影响的数值研究

利用经过改变用于长期数值预报的CCM1(R15L7)模式以1975年1月16日00Z模式适应场为初始场积分5个月,研究南极威德尔海附近(60°W～30°E)海冰的面积异常对东亚初夏环流转换季节的影响.发现当南极海冰偏多时,在亚洲北部冷空气活动在初夏仍然很多,势力还很强,东亚南北两支急流分支仍很明显,各种环流特征更偏向于冬季型,不利于东亚初夏的环流季节转换.海冰异常偏少时则相反,亚洲北部的冷空气活动明显减弱,南方暖气流势力明显加强北移,东亚的两支急流也趋于合并北抬,环流形势更接近于夏季型,海冰的减少促进了东亚初夏的环流季节转换过程.     

前墙结构对OWC气室捕能效果影响的数值研究

基于不可压缩黏性流体理论和VOF(Volume of Fluid)方法建立了二维数值波浪水槽模型,将模拟波形与波浪理论值进行对比,分析了模型可靠性,并利用该模型研究了5种不同前墙结构OWC气室在不同波高、周期时的出气口速度和气室内空气压强。基于模拟结果,从波能-动能转换效率和气室内空气压强角度分析了前墙结构对OWC气室的捕能效果的影响。结果表明:对于传统的直立型OWC气室,采用合适的前墙结构可有效提高OWC气室的捕能效果;相比三角截面(20D型,30D型)和矩形(Y型)截面前墙,采用椭圆截面(20TY型,30TY型)的前墙结构的捕能效果更优,且在周期较大(1.6和1.8 s)时其作用更显著,其波能-动能转换率相对Y型前墙结构气室平均提升37%;5种前墙结构不同的气室中,20TY型和30TY型前墙结构气室的捕能效果最优。     

北极海冰对大气环流与气候影响的观测分析和数值试验研究

本文主要根据1953～1977年资料,从观测分析和数值试验两方面研究了北极海冰覆盖面积异常对全球的大气环流和气候、特别是对中国气候的影响,发现北极海冰的影响可与中东赤道太平洋海温异常的影响相比拟,甚或可以超过,指出在气候和长期天气预报研究工作中,极冰变异及其影响需要很好重视。     

用数值计算方法分析潜艇计程仪测速误差

介绍潜艇水压式计程仪的使用原理和方法,分别对SUBOFF潜艇在水面和水下两种航行状态进行了三维粘性数值模拟,获得潜艇计程仪相关部位的流场信息,利用这些信息仿效计程仪的测速过程,得出潜艇水压式计程仪"水上标定,水下用"将会使潜艇测速结果低于实际航速的结论.     

大洋海底矿产资源研究现状及其发展趋势

围绕中国大洋矿产资源开发的发展计划,概括介绍了大洋海底矿产资源研究的动态、重大成果和发展趋势,希望在我国的大洋工作当中加强系统论指导下的海底成矿系统研究,重视深海探测技术的发展,争取今后在多种资源矿区申请工作中有的放矢、把握主动。     

潮流能水轮机仿真及尾流场分析

为了研究潮流能水轮机尾流场的变化规律,本文在水平轴水轮机现有理论基础上,采用计算流体力学技术建立了数值模型,计算了水轮机的功率特性,进行了网格独立性验证,比较了模型中旋转区域不同对结果的影响。仿真结果与试验结果进行了对比分析,验证了数值模型的有效性。研究了全工况下尾流场速度衰减随尖速比和距离变化的规律,结果显示在小尖速比下尾流场速度恢复情况相对大尖速比下较好;靠近水轮机轮毂中心线位置处,衰减相对较大。研究建议水轮机在同等功率表现下尽量选择在小尖速比下工作,水轮机组在实际排列时避免采用成列布置,水轮机设计阶段应综合考虑功率特性和尾流场衰减。本文研究内容可以为潮流能水轮机的研究以及阵列式应用提供参考。     

导流板对波浪作用下海底管线影响研究

为研究导流板对波浪作用下海底管线的影响,在FLUENT中建立二维数值波浪水槽对不同导流板高度的海底管线附近波浪场进行数值模拟,并将计算结果与试验结果进行了比较,结果表明,计算结果与试验结果较为吻合。添加导流板后管线表面压力分布及波浪力均发生变化。水平波浪力最大值随着导流板高度的增大而增大,而垂直波浪力最大值则随之逐渐减小。     

渔业活动对东海海域海底光缆安全的影响

通过对东海海域海底光缆路由区作业渔场的捕捞方式、作业范围等的分析,结合已建海底光缆故障的调查结果,探讨了渔业活动对东海海域海底光缆路由调查和已建海底光缆安全的影响。结果表明,东海海域海底光缆主要穿越了长江口、江外、舟山、舟外、鱼外等5大主要作业渔场,各渔场的渔业活动频繁,拖网、张网和流刺网等不同捕捞作业方式集中,对海底光缆的安全带来严重威胁。同时,捕捞渔船船只的数量逐年增多、触底深度的不断增加、作业时间的不断延长,使海底光缆路由调查时所获得调查资料的质量受到严重影响,船只、渔具的日益大型化以及拖网、张网、围网等捕捞活动范围的持续扩大,更使得海底光缆的故障频繁发生。为保护海缆的安全,在目前的经济技术条件下,建议选择休渔期时进行路由调查,在捕捞活动的频繁区,选择双层铠装型(DA)的海底光缆,并适当加大埋设深度,以降低渔业活动对海底光缆工程的影响。实践表明,将海底光缆埋设深度增加至3.0 m以上,可有效地保护海底光缆的安全。     

海底管道受坠物锚击损伤试验与数值模拟研究

为探索海底管道在锚击作用下的损伤规律,通过海底管道损伤试验和数值模拟,研究了坠物质量、坠落高度和坠物形状对海底管道机械损伤的影响,并结合试验结果修正了Ellinas-Wallker公式。研究结果表明:管道的凹陷损伤随坠物质量和坠落高度的增大而变大;在相同质量的立方体、球体和模型锚三种形状坠物作用下,球体坠物对管道的损伤最严重;EllinasWallker公式计算结果偏于保守,修正后计算结果与试验和数值模拟结果吻合良好。研究结果可以为海底管道的工程设计及应用提供一定的参考。     

Spar平台湿拖阻力性能研究

海洋平台由拖船拖至工作地点,计算海洋平台的湿拖阻力在实际工程应用中具有重要意义。采用实验和数值模拟两种方法进行桁架式Spar平台的湿拖阻力性能研究,并将两种结果进行对比。并分析了桁架式Spar平台的垂荡板间流场的变化规律。研究结果表明,Spar平台的湿拖阻力中,摩擦阻力所占总阻力的比例小于10%;在平台拖曳运动的前几秒中,垂荡板间流体剧烈运动,速度和压力显著变化,随后就运动慢慢变缓;Spar平台在低速拖曳时会产生明显的波浪,尾部有回流。     

Analysis and optimization design of submarine tunnels crossing fault fracture zones based on numerical simulation

Abstract

Fault fracture zones have always been a key problem in the construction of submarine tunnels. To efficiently summarize the safety impact of different construction schemes on a submarine tunnel crossing a fault fracture, a theoretical model using numerical simulation has been established via the benching tunnelling construction method, three-step method, Center Diaphragm method (CD method), both sides heading method, Cross Diaphragm method (CRD method) and two kinds of supporting methods: pre-grouting and shotcreting. Numerical simulation studies on the excavation and support of submarine tunnels crossing fault fracture zones have been carried out. The research indicates: the fracture zone is the main area where sedimentation instability occurs; the CRD method has the lowest horizontal convergence under the support of the diaphragm; increasing the grouting strength is more effective in controlling the deformation of the surrounding rock than increasing the range of the pre-grouting and the thickness of the shotcrete in the initial support is increased, and its resulting effect is obvious. To optimize the construction scheme, we compared the settlement, horizontal convergence and surrounding rock stress of the tunnel according to the simulation results of different excavation support methods, which could provide theoretical guidance for better on-site construction techniques.     

海底承压含水层排泄电阻率法探测效果模拟与分析

海底承压含水层排泄是海底地下水排泄的一种主要形式。由于这一过程发生在海水层下部,探测难度较大。为探讨海洋多电极电阻率法对该过程的探测能力,根据典型海底承压含水层地质模型构建不同排泄阶段地电模型,模拟海面和海床面两种探测情形分别进行多电极电阻率法理论探测结果计算和物理模拟,并对所得电阻率剖面进行对比分析。研究结果表明,水面多电极电阻率探测剖面能够清晰刻画出排泄入海的淡水体在海水中迁移、混合过程,但剖面异常特征和分辨率受探测装置形式、电极极距、海水深度影响;海床面探测则对沉积层中咸淡水交换过程反映能力更强,沉积层中的锲形海水侵入体可得到良好反映。     

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法(CFD)建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并拟合表达式;研究了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,探讨了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。