波浪与抛石潜堤相互作用的MPS法数值模型研究

为了研究波浪与抛石潜堤相互作用过程中大自由表面变形和堤内渗流等强非线性紊流运动问题,利用改进的MPS法,建立了模拟波浪与抛石潜堤相互作用的MPS法数值计算模型。模型将抛石潜堤假定为均质多孔介质,采用Drew的二相流运动方程描述多孔介质内外的流体运动;通过在动量方程中增加非线性阻力项,并引入亚粒子尺度紊流模型,模拟波浪与可渗结构物相互作用过程中的紊流运动。选取“U”型管中多孔介质内渗流过程和孤立波与可渗潜堤相互作用两个典型的渗流问题,通过将数值计算结果与理论解和实测值的对比分析,对所提出的MPS法紊流渗流模型的模拟精度进行验证。结果表明:基于改进的MPS法构建的垂向二维紊流渗流模型可以很好地再现“U”型管中多孔介质内渗流以及波浪作用下可渗潜堤内外的复杂流场,显著缓解流-固界面处的压力震荡与粒子分布不均匀问题,实现了较高的模拟精度。     

航行体近水面航行附加质量与阻尼的数值研究

航行体近水面航行时会引起周围流场中流体的惯性运动,动能会随波浪扩散而耗散,航行体近水面运动时固有周期和幅值衰减率受水的影响可以用附加质量和阻尼系数描述。运用计算流体力学软件 STAR-CCM+开展航行体近水面自由横摇与纵摇衰减运动的数值仿真,根据不同初始角度条件下仿真得到的自由衰减时历曲线,分别计算横摇与纵摇的附加质量与阻尼系数,并结合实际运动情况,对不同初始角度条件下附加质量与阻尼系数的变化成因分别进行分析。     

变速海水运动感应电磁场数值模拟及特征分析

海水是一种高电导率的流体,根据电磁感应定律,运动的海水切割地磁场会在海水中产生感应电流,从而产生感应电磁场。本文从麦克斯韦方程出发,推导出一维速度场海水运动感应电磁场偏微分方程,利用电磁场水平分量在海表面和海底面上的连续性条件,得到海水运动感应电磁场表达式,并编写了Fortran计算程序。计算了常速度海水运动感应电磁场,并与格林函数法计算结果进行了对比,两种方法的计算结果一致。计算了变速度(即海水运动速度随深度变化)海水运动感应电磁场,并讨论了海水运动周期和海底介质电导率对海水运动感应电磁场的影响。计算结果表明:海水运动周期和海底介质电导率对常速度海水运动和变速度海水运动感应电磁场都有影响,但影响程度不同。在本文所述模型和参数条件下,海水运动感应电场和感应磁场振幅分别可达6μV/m和10nT,这与海洋大地电磁响应的量级相当。因而在处理海洋大地电磁数据时,海水运动感应电磁响应是不可忽略的噪音干扰,需要采用必要的压制手段。     

砾石单元法与SPH耦合模型在数值波浪水槽中的应用研究

为研究以流体粒子描述波浪运动,以固体单元描述砾石运动的两相介质大变形运动,在港口、海岸工程科学研究中具有重要意义。本文提出砾石单元法（GEM）,介绍了光滑粒子动力学方法（SPH）和GEM的基本原理,阐述了GEM与离散单元法（DEM）的异同之处,说明了采用SPH方法与GEM构建波浪砾石耦合运动数学模型的方法和过程。应用SPH方法建立数值波浪水槽,用GEM模拟波浪作用下堆积砾石的滚落、坍塌变形,构建了SPH方法与GEM耦合数学模型。模拟了水槽造波和波浪生成过程和波浪作用下砾石的滚落、坍塌变形,并与物理模型试验成果进行了比较,结果基本吻合。本文提出的GEM法具有模拟单相堆积砾石运动和堆积砾石与流体粒子耦合多相介质运动的功能,是对DEM法的补充和改善。本文提出的堆积力学球概念和拟序排列求解方法是砾石单元法的重要组成部分。     

基于实测资料的南海北部台风“海鸥”致近惯性振荡研究

文章利用2014年9月南海东北部附近海域的A、B两个相距约20km的潜标数据,分析了台风"海鸥"在南海东北部激发的近惯性振荡的垂向分布特征。结果表明,台风过境在两站点激发了强烈的近惯性振荡,其能量由海表向海洋内部传播;近惯性能量在表层随着深度增加而增大,最大值出现在次表层,此后随着深度增加迅速衰减。但是两个观测站点的近惯性振荡垂向分布特征有较大的差别:A站点的近惯性振荡在不同深度上存在三个不同的垂向相速度,而B站点的垂向相速度没有变化;两站点的最大近惯性动能的大小及其所在深度不同,B站点比A站点的最大近惯性动能大15%左右。台风过后两个站点均出现由近惯性波f和半日内潮波D_2非线性相互作用产生的次级波动fD_2,但其强度存在差异。台风后A站点fD_2在不同深度上有不同的变化,f和D_2相互作用较弱;而B站点的fD_2在整个近惯性振荡影响深度内都是增强,其fD_2和f频带的动能和流速在时空分布以及变化趋势上有较好的相关性。两站点的近惯性振荡垂向相速度以及次级波动fD_2的不同可能是水体层结的差异和涡旋的影响所导致的。     

南海西北部上层海洋对台风“杜苏芮”的响应分析

基于锚碇观测资料,本文分析了南海西北部陆坡区上层海洋对台风“杜苏芮”的动力学和热力学响应特征。在动力学响应方面,台风“杜苏芮”期间上层流速显著增强,混合层纬向流速可达1.20 m/s;“杜苏芮”经过后上层海水运动以近惯性振荡为主(流向顺时针旋转周期在36～40 h之间)。近惯性能量在垂向分布上存在两个高值中心,分别位于混合层和温跃层深度上。近惯性能量耗散过程的e折时间尺度约为3.7 d,我们认为能量的向下传播在局地近惯性能量衰减过程中起主要作用。对能量谱的分析表明,“杜苏芮”作用期间近惯性频率能量相对于其作用前增大了约29.4倍,而全日和半日频率(K₁和M₂)能量有所减弱。此外,能量谱显示近惯性频率存在明显的“蓝移”现象,即对于纬向和经向流速分量在400 m以浅平均的近惯性振荡频率分别为1.167 f₀和1.170 f₀(f₀为局地惯性频率)。蓝移与近惯性内波的向下传播及正的相对涡度的输入有关。在热力学响应方面,上层海洋在台风的搅拌作用下,40～250 m深度均出现较小增温,最大增温幅度接近1°C;此外70 m以浅盐度的降低可能与台风过境时的降水相关,而Ekman抽吸引起的上升流则可能对70～100 m深度盐度的升高具有重要作用。     

极限波浪作用下半潜平台运动响应时域数值模拟

针对一座工作水深为500 m的半潜式海洋平台,运用时域耦合分析方法,计算其在极限波浪作用下的运动响应。通过比较平台在两种不同形式极限波浪(即畸形波和"三姐妹"波)作用下的运动响应,分析两种不同形式的极限波浪对平台运动的影响。同时通过分析畸形波的参数对平台运动幅值的影响,确定平台运动响应对畸形波参数的敏感性。分析结果表明:极限波浪在聚焦点处波高最大,当平台恰好位于聚焦点时,对平台来说最危险;畸形波的波峰值是影响平台运动的最主要参数,在平台初期设计中要考虑工作海域中极限波浪可能达到的最大值;在波峰值相同的条件下,平台运动的最大值随着畸形波的谱峰周期和有义波高的增加而增加。     

线圈释放式温、盐、深探头运动特性的数值计算方法研究

线圈释放式温、盐、深探头从空中定点投放，入水后测量海洋不同海水层面上的温度和盐度，因此必须知识探头各个时刻的入水距离，以与获得的温、盐数据对应。本文对其运动特性进行了数值计算，并在计算中考虑了探头质量和排水体积的变化。利用已有的形状完全相同但不释放线圈的探头实验资料，拟合出了探头在海水中的阻力系数与雷诺数的关系式。并且分析了探头入水瞬间速度损失的影响。     

基于实测资料的南海北部台风“海鸥”致近惯性振荡研究

文章利用2014年9月南海东北部附近海域的A、B两个相距约20km的潜标数据, 分析了台风“海鸥”在南海东北部激发的近惯性振荡的垂向分布特征。结果表明, 台风过境在两站点激发了强烈的近惯性振荡, 其能量由海表向海洋内部传播; 近惯性能量在表层随着深度增加而增大, 最大值出现在次表层, 此后随着深度增加迅速衰减。但是两个观测站点的近惯性振荡垂向分布特征有较大的差别: A站点的近惯性振荡在不同深度上存在三个不同的垂向相速度, 而B站点的垂向相速度没有变化; 两站点的最大近惯性动能的大小及其所在深度不同, B站点比A站点的最大近惯性动能大15%左右。台风过后两个站点均出现由近惯性波f和半日内潮波D₂非线性相互作用产生的次级波动fD₂, 但其强度存在差异。台风后A站点fD₂在不同深度上有不同的变化, f和D₂相互作用较弱; 而B站点的fD₂在整个近惯性振荡影响深度内都是增强, 其fD₂和f频带的动能和流速在时空分布以及变化趋势上有较好的相关性。两站点的近惯性振荡垂向相速度以及次级波动fD₂的不同可能是水体层结的差异和涡旋的影响所导致的。     

瘫船稳性第二层薄弱性衡准研究

基于IMO第二代完整稳性草案中瘫船稳性第二层薄弱性衡准的有关研究,分析草案提出的简化计算方法,采用一个单自由度船舶横摇运动微分方程,利用例船CEHIPAR2792数据,编译相应程序,求得不规则横风横浪作用下瘫船横摇运动相应特征,进而计算特定海况下的倾覆概率及特定海区的平均倾覆指数,并与草案值进行对比。分析不同拟合扶正力臂曲线方法和剩余稳性高对计算结果的影响,并对瘫船稳性第二层薄弱性衡准方法进行修改。     

东海围垦滩地强夯作用下孔隙水压力响应试验研究

围垦滩地饱和粉土地基属于软土地基的一种,其含水量高,渗透性差,强夯加固作用使地基土中的孔隙水压力瞬时升高,且短时间内得不到消散,容易出现“橡皮土”。通过现场试验研究了饱和粉土地基在强夯作用下孔隙水压力的响应规律,确定了两遍强夯之间的间歇时间和强夯的影响深度,以便优化强夯参数,正确指导强夯施工。     

Investigation on the dynamic liquefaction responses of saturated granular soils due to dynamic compaction in coastal area

Dynamic compaction (DC) has been widely used for a variety of soil types and conditions in coastal area. However, as the ground water table is near the ground surface, a significant increase of pore water pressure is noticed after each impact, which results in local liquefaction and limits further drop effect. Consequently, to obtain effective compaction effects on saturated soils, it is essential for the evaluation of the liquefaction responses of soil medium caused by DC to determine the time delay between the drops and prevent ‘rubbery soil’. In this study, a numerical investigation on the liquefaction responses of saturated granular soils during DC is carried out using a coupled hydro-mechanical model. The developed model considers all the stages of DC involved in impact stage and consolidation stage. A new cap model for simulations of high strain rate behaviors of soils under DC is incorporated in the coupled hydro-mechanical model. Verification of the proposed model is performed against the previous test data and analytical result. Then, a series of parametric studies have been performed to examine the effects of the tamping energy level, hammer radius and permeability on liquefaction responses of saturated granular soils at several stages of DC. The numerical results demonstrate that the dimension of liquefaction zone is driven by the tamping energy level rather than the permeability, and strain rate has a significant effect on soil responses in DC.     

黄河三角洲河道沉积规律研究Ⅱ. 建林边滩沉积作用机理

通过对建林边滩沉积物粒度分布、粒度参数及水体流变性质的分析，阐述了黄河三角洲上河道水流属于牵引流范畴，与低含沙水流无本质上的差别，并探讨沉积物搬运和沉积的基本特征。     

Dynamic Finite Element Analysis for Interaction between Two Phase Saturated Soil Foundation and Platform

In this paper, the foundation soil of offshore structure is simulated as a two phase saturated porous medium. The dynamic equations of porous medium and finite element formulation are given. For structural analysis, the technique of multilevel substructure is used, and the saturated soil analysis is set in the highest level substructure model. Based on these theories a dynamic finite element analysis program DIASS for the analysis of interaction between two phase ocean soil foundation and platform structures has been developed. A numerical example is given here to illustrate the influence of the pore water in soil on the structural response of an ocean platform.     

粉质土底床桩基压力对波浪响应相位差试验研究

近年来,在各种近海建筑物的建设中,桩基础被越来越广泛地应用。关于海床内桩基各层位对波浪动力响应相位差的研究,国内外学者研究的重点主要集中在海床内各层位孔隙水压力的相位变化。而关于波浪作用下海床各层位土体总压力相位的研究则很少。本研究采用波浪水槽实验,在土床未扰动和土床扰动液化两种工况下,分别施加不同波高的波浪,对底床各层位土体总压力的相位进行对比研究。实验结果表明,当土体未运动时,在渗透性和饱和度均匀的土体中,各层位土体之间不存在相位差。当底床液化后,土体出现显著分层现象,在液化土层和不动土层间存在显著的相位差。此时,总压力振幅呈现先增大后减小的现象,且在床面下-10cm处出现最大值。     

Characteristics of Saturated Soft Clay in Dynamic Deformation

-This paper presents the research results of dynamic pore water pressure and the characteristics of dynamic deformation of saturated soft clay and the factors affecting the dynamic pore water pressure and dynamic deformation. Dynamic triaxial compression tests are carried out and the soil samples used in the tests are remoulded clay from the seabed of the Bohai Bay. The paper also deals with the dynamic deformation mechanism of saturated soft clay foundation without drain. A calculation model for permanent dynamic deformation of saturated soft clay foundation has been established.     

Geotechnical Hybrid Simulation to Investigate the Effects of the Hydraulic Conductivity on One-Dimensional Consolidation Settlement

Difficulties in the prediction of time-distribution of consolidation settlement will be introduced by using the Murayama test embankment case of Japan. In particular, it will be discussed why the prediction of consolidation rate is difficult in multi-layered soil with complex and variable mechanical properties like organic soil or peat. It can be inferred that uncertainties, which are embedded intricately in the consolidation problem as well as given ground condition, would be major causes for consolidation settlement. After that, the author focused on the movement of pore water under the various conditions of hydraulic conductivity in the soils, and how it can affect the time-distribution of the consolidation settlement. For the applied key methodology on the consolidation settlement problem, we propose the hybrid consolidation simulation controlling the movement of pore water with high accuracy and, finally, the aim of this article is to discuss the methodological approaches obtained by the study, including the basic concept and accurate movement of pore water under various conditions of soil layers and hydraulic conductivity.     

波流组合作用下SPAR平台垂荡-纵摇耦合运动研究

探讨SPAR平台在波流组合作用下的运动响应机理。运用Matlab程序分析了SPAR平台产生内共振的运动过程,运用刚体动力学理论建立了平台垂荡-纵摇耦合方程,对波流共同作用下Spar平台的垂荡、纵摇运动进行数值模拟,结果表明:流的加入对于内共振的影响并不明显;同时采用AQWA软件研究了流的加入对于纵荡二阶慢漂力的影响,研究发现,当波流同向时能大大增加Spar平台的纵荡运动,而波流反向时却能明显削弱纵荡运动。本文研究成果对于指导深海浮式结构设计开发具有一定的理论借鉴作用。     

Numerical Analysis of the Effect of Active Wind Speed and Direction on Circulation of Sea of Azov Water with and without Allowance for the Water Exchange through the Kerch Strait

The effect of seawater movement through the Kerch Strait for extreme deviations in the level and speed of currents in the Sea of Azov caused by the action of climate wind fields has been studied using the Princeton ocean model (POM), a general three-dimensional nonlinear model of ocean circulation. Formation of the water flow through the strait is caused by the long-term action of the same type of atmospheric processes. The features of the water dynamics under conditions of changing intensity and active wind direction have been studied. Numerical experiments were carried out for two versions of model Sea of Azov basins: closed (without the Kerch Strait) and with a fluid boundary located in the Black Sea. The simulation results have shown that allowance for the strait leads to a significant change in the velocities of steady currents and level deviations at wind speeds greater than 5 m/s. The most significant effect on the parameters of steady-state movements is exerted by the speed of the wind that generates them; allowance for water exchange through the strait is less important. Analysis of the directions of atmospheric circulation has revealed that the response generated by the movement of water through the strait is most pronounced when a southeast wind is acting.     

循环应力下饱和黏土剪切变形特性试验研究

针对饱和重塑黏土,利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在不固结不排水(UU)条件下进行了应力控制式循环扭剪和竖向-扭转耦合试验,通过对试验结果的对比分析探讨了初始预剪应力和应力反向对应力-应变关系特性的影响,并阐述了不同加荷模式下孔隙水压力发展特性。以此为基础,综合考虑剪切变形和正向偏差变形的共同效应,同时为了能够反映平均残余变形和循环变形的影响,建议了一个综合应变破坏标准的算式。进而通过利用试验数据与目前常用的应变标准比较,表明这种破坏标准具有普遍适用性和较好的稳定性,适用于判定各种应力条件下黏土试样破坏及其强度。