用Morison公式试算海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩

根据实测流速资料采用Morison公式初步计算了海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩。内孤立波对桩柱的作用力与表面波的作用力是明显不同的。内孤立波的作用力几乎分布在整个深度范围；它在铅直方向不但有量值变化。也有方向改变——第一模态内波的作用力在桩柱的上、下部位作用方向相反。表面波对桩柱的作用力随深度的增大较快的衰减。且深度的改变不会使作用力的方向发生变化。计算结果表明：引起2．1m／s水平流的内孤立波对桩柱产生的总作用力约相当于300m波长、18m波高的表面波的总作用力；由于海洋内孤立波能引起很大的水平流，它对海上石油平台桩柱产生的总作用力以及相对于海面的力矩是不能忽略的。因此，在海上石油平台设计中应充分重视内孤立波的作用。     

变系数KdV方程在海洋内孤立波的应用

本文讨论了变系数KdV方程的一种求解方法及其理论应用。首先利用解析解给出初值条件,其次通过龙格库塔法结合显格式差分法对方程进行离散,并运用MATLAB软件编程求出方程的数值解。为了更好地体现孤立波的特性,本文选取了不同的初始波形,以研究孤立波的极性转换、线性化及频散产生尾波等典型情形,并将此理论用于实际海洋的孤立波分析中,以便更简洁直观地了解内孤立波的特性。     

南海北部陆坡内孤立波对桩柱作用力的极值推算

内孤立波的发生常伴随着大振幅波动和突发性强流,对桩柱等海中结构物产生强烈破坏作用。基于KdV方程和Morison公式,在忽略高阶模态的情况下,探讨内孤立波对桩柱的单位作用力、总作用力、剪力和弯矩的极值问题,并利用2016-07南海北部陆坡的实测资料对理论结果进行检验。结果表明:1)在内孤立波最大振幅所在的垂向剖面上,上层与下层各存在一个单位作用力极值,且二者方向相反,上层总作用力强于下层,最大剪力和弯矩分别发生于水平流速的转向层和海底;2)各水层中,沿着内孤立波的传播方向,所有作用力的数值均随时间的推移先递增后递减,存在正向或负向的最大值;3)全水层总作用力极值发生在半周期,其值与波动振幅和水平波速有关,其他作用力极值发生于最大振幅时刻之前,作用力极值与振幅和非线性波速正相关,与水平特征宽度负相关;4)单位作用力极值的时间提前量与振幅和水平特征宽度强相关,与非线性波速弱相关。     

背景流在内孤立波对小直径桩柱作用力中的影响

本文首先采用GK-dV方程,在考虑背景流和未考虑背景流2种情况下,对南海东北部向西传播的大振幅内孤立波进行了模拟。通过对比两组结果,发现背景流的引入,会使内孤立波的传播速度变快、波形变窄、振幅变大,以及波致流变强。然后,采用Morison’s公式计算了内孤立波对小直径桩柱的作用力和力矩,通过对比,发现在引入背景流后,作用力和力矩均变大,作用力增大9.0%,力矩增大32.5%,因此背景流在内孤立波对小直径桩柱的作用力中有着重要的影响。     

分层海洋的内孤立波

本文从流体力学基本方程组出发,在非地转条件下导得了分层海洋的内孤立波方程—Kbv和mKdv方程,证实了在非地转条件下,一类海洋非线性波动是可以严格满足内孤立波方程的。在地转条件下采用f平面近似导出了KdV方程的演化形式一有源KdV方程,地转的影响含于源项中。由初步的分析得出,f对KdV方程的影响是微弱的。由已得的KdV和mKdV方程的解可知,内孤立波与线性波有着本质差别。     

内孤立波对小直径直立桩柱作用力的实验研究

内孤立波具有较大的振幅与较强的垂向剪切,能对海洋工程设施产生极大的破坏作用。本文设计实验研究了内孤立波与直立小直径桩柱的相互作用,采用粒子图像速度测量法(PIV)测量内孤立波的流速场,并采用自行设计的测力天平测量桩柱受力,测量分析了内孤立波对小直径直立桩柱产生作用力的实验值,与Morison公式计算的理论值比较。实验结果表明,第一模态内孤立波的流速方向以及作用力在桩柱的上下部分方向相反,产生很强的速度切变和扭力,对小直径直立桩柱造成破坏。通过与Morison公式计算的理论值比较,发现实验值与理论值的大小以及分布规律基本相同。     

基于Fluent的内孤立波质量源造波方法研究

在RNGk-ε湍流模型下,基于Fluent平台中的DEFINE-SOURCE宏,结合KdV与eKdV理论编写相应程序,从粘性不可压缩流体的N-S方程出发,进行了基于质量源造波法的内孤立波数值模拟,并将所得模拟结果与物理实验结果、理论值及速度入口法与平板拍击法数值模拟结果进行了对比和分析。结果表明:质量源造波法所得波形与物理实验结果、理论值及速度入口法与平板拍击法数值模拟结果吻合较好,验证了本文所述质量源造波方法的可行性和有效性,且该方法对振幅水深比小于0.1和大于0.1的内孤立波均具有较好的适用性。此外,质量源造波法避免了动网格的使用、可用于研究速度边界未知的情况、耗时短、效率高、适应性强等优点为进一步研究内孤立波与海洋结构物的相互作用问题提供了一种新的实现方案。     

海洋内孤立波作用下潜体运动响应特性研究

2021年4月印度尼西亚海军“南伽拉402”号潜艇在巴厘岛以北约60海里（111.12 km）处发生沉没,分析表明大振幅海洋内孤立波作用可能是事故原因之一。基于大振幅内孤立波eKdV理论与Morison公式建立了内孤立波作用下潜艇的运动学模型,揭示不同内孤立波振幅、潜艇潜深条件下潜艇的运动响应特性,进一步说明内孤立波可能造成印度尼西亚潜艇失事。结果表明：内孤立波对潜艇的运动状态产生巨大影响。垂直方向上潜艇在短时间内产生大幅度掉深,而水平方向上其运动方向在密度界面上或界面处与内孤立波传播方向一致,界面下则相反,且内孤立波产生的垂向力矩可能造成潜艇倾覆。不同波幅、潜深下潜艇表现出不同的运动响应规律。研究表明印度尼西亚潜艇失事可能是潜艇执行任务过程中遭遇了较大振幅内孤立波,导致其发生大幅度、迅速掉深。     

海底山脊作用下内孤立波破碎研究

基于实验室水槽实验,研究了内孤立波在海底山脊地形存在下的破碎过程。实验设置了两层流体的分层环境,定量地控制了上下层水体厚度及密度,使用不同高度的高斯地形模拟实际的海山作用,讨论了不同高度地形作用下内孤立波破碎过程的异同。实验结果表明,内孤立波的破碎过程中由于逆压梯度的存在,在地形处发生边界层分离,产生了底边界层反向射流和涡脱落现象,计算了内孤立波破碎过程中产生的底部切应力的分布。本文通过实验模拟了内孤立波再海山作用下的破碎过程,进一步探究了海山对内孤立波破碎的影响和底部切应力的作用,对于研究自然界中海洋内孤立波在海山区域的破碎现象有参考价值。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。     

基于FLUENT的海洋内孤立波数值水槽模拟

基于FLUENT商业软件及其二次开发功能,在标准κ-ε湍流模型下,采用VOF方法追踪两层流体内界面,通过给定入口速度和水位的设置造波边界法,建立了可有效模拟弱非线性内孤立渡的分层流数值水槽,并与仿物理的双板造波方法进行了比较.采用设置边界法所造的波形与理论值符合较好,这为数值分析内孤立渡与海洋结构物相互作用问题提供了一条更加有效的途径.     

内孤立波的研究与数值模型

海洋内孤立波是一种特殊的内波,它能够长距离的传播而保持波形的基本不变。世界上很多海域都观测到了内孤立波的存在,我国南海也是内孤立波频发的典型海区。本文介绍了内孤立波的生成机制、南海内孤立波的研究现状并探讨了南海内波的源、最后介绍研究内孤立波所用的传播模型,认为建立水平二维的内孤立波传播模型具有重要的意义。     

下凹内孤立波致流场结构及其影响因素的实验研究

为进一步探究海洋内孤立波诱导流场对海洋工程结构物以及潜航器的影响,本文采用重力塌陷方法和粒子图像测速(Particle Image velocimetry,PIV)技术在大型分层流水槽中进行内孤立波造波以及内部流速场测量,定量分析了下凹型内孤立波诱导流场结构及其影响因素。研究表明:在密度分层流体中,PIV技术可实现对大幅面内孤立波诱导流场的精细测量以及波动结构特征的准确描述;水平流速在上下层方向相反且在跃层处最小,其剪切作用在波谷附近最强;垂向流动在波前和波后分别为上升和下沉流,两者流速值在距离波谷1/4~1/2波长位置达到最大;在相同内孤立波振幅条件下,上下层流体密度差越大、厚度比越小,则波致流场越强;随着振幅增大,流场结构与Kd V、e Kd V和MCC理论模型对应波幅适用范围的描述相吻合。     

缓坡地形上内孤立波的破碎及能量分析

在大型重力式分层流水槽中对内孤立波沿缓坡地形的演化特征进行了实验研究,利用分层染色标识方法和多点组合探头阵列技术对其传播特性做了定性分析和定量测量。实验表明:下凹型内孤立波沿缓坡地形传播过程中的破碎先从波背部发生,继而演化出上凸型内孤立波;内孤立波破碎不仅与入射波波幅相关,而且受到地形坡度的强烈影响;入射波幅参数??0.4是内孤立波不稳定及破碎的实验判据,内孤立波能量损失出现跃升是其发生破碎的重要特征。研究进一步获得了内孤立波沿缓坡地形的三维演化结构、破碎发生条件和能量变化特性,对于复杂海洋环境中非线性内波传播特性认识及其动力学建模具有重要的科学意义。     

内孤立波反射和相互作用的实验探究

本文使用重力塌陷造波法,在内波实验室三维水糟内造波,并借助染色技术、水体灰度值反演以及高速图像记录系统来展开相关实验.我们分别进行了不同水深下内孤立波在竖直挡板上的反射和不同振幅下波-波相互作用实验,每种实验分别设计了三组.通过反演计算发现:内孤立波反射实验中,马赫峰振幅并没有出现所谓的"四倍放大效应",水深深度的变化...     

基于机器学习的内孤立波遥感探测研究综述

海洋内孤立波是一种在稳定层化海水内部广泛分布的波动,对物质能量传输和海洋环流具有重要作用,也对海洋工程建设和舰船航行安全产生了重要影响。机器学习技术利用数据训练模型,使计算机具备学习和改进性能的能力,在图像检测、分割和预测等领域得到广泛应用。探讨了机器学习在内孤立波检测识别、参数反演和传播预测方面的应用,并指出当前研究中存在的问题,如内孤立波数据集和专门算法研究不足等。最后,分析了机器学习在内孤立波研究中的未来发展趋势。     

内孤立波作用下柔性跨接管动力性能研究

活跃在中国南海的内孤立波已经成为该地区海洋油气资源开发中不得不考虑的因素。跨接管作为连接水下油气储存开采设施与海面油气处理设施的重要装置,由于具有较大柔性,由内孤立波引起的剪切海流将会对其产生巨大影响。采用KdV方程对内孤立波进行模拟,基于向量式有限元法,建立了柔性跨接管的动力学分析模型,对不同方向内孤立波作用下的跨接管的动力性能进行分析。分析结果表明在内孤立波作用下,跨接管存在一个明显的动力过程,能够导致跨接管产生较大的位置移动及其整体位置的抬升,同时跨接管对于内孤立波的入射角十分敏感,其内力可能发生突然变化。内孤立波的振幅对跨接管的极值响应有显著影响。     

内孤立波破碎所致混合的实验研究

为定量分析内孤立波破碎的混合过程,本文在二维内波水槽中进行了两层流体第一模态内孤立波在斜坡上破碎的实验,运用粒子图像测速技术(PIV)测量内孤立波传播、破碎、反射过程的流场,计算涡度、湍动能和湍耗散率。结果表明不同振幅内波在不同角度斜坡上破碎时各个量的分布特征十分相似,各组实验各要素时间序列中均有两个峰值,分别发生于非线性增强和破碎时刻。得到破碎时湍耗散率与内孤立波振幅的关系为:较小振幅内波的湍耗散率与振幅呈2次关系,无因次振幅增大到0.9湍耗散率趋于不变;与斜坡角度的关系为:对于小振幅内波斜坡角度增大,破碎程度降低,耗散率减小;振幅较大时,存在一个角度使破碎程度最大。破碎引起的湍耗散率的量级在10–7到10–4m2/s3之间,比实测海洋中内孤立波传播界面和内潮遇地形破碎的湍耗散大1个量级。     

内孤立波与定常流共同作用下竖直圆管的响应分析

基于ANSYS Workbench平台,建立三维密度分层数值水槽,对内孤立波与定常流共同作用下竖直圆管的响应问题进行了流固耦合数值分析.结果 表明:随着定常流流速的增大,内孤立波波形逐渐变窄,下层流体发生反向流动;受定常流的影响,管体表面的剪切力增大,管体的顺流向变形增大.     

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。