深海悬垂取水管振动特性研究

深海悬垂取水管的设计趋向于大直径、高内流流速,内流对取水管振动特性的影响不可忽略,分析内部流动引起的管道动态失稳行为以及评估失稳临界流速具有重要工程意义。基于小尺度模型试验,研究内流对深海悬垂取水管道振动特性的影响规律,结果表明：随着内流流速增加,取水管模型会发生动态失稳行为,表现为一种间歇性的近周期运动,该运动主要由管道一阶弯曲模态引起的不稳定性诱导。管道材料、顶端连接方式及底部配重块均影响其动态稳定性,顶端固定连接时质量比小的管道更易发生动态失稳;顶端变为铰接时,质量比大的管道失稳临界流速变小,质量比小的管道失稳临界流速变大。相比顶端边界条件,底部配重块对管道失稳临界流速影响不显著但可以减小其振动幅值。     

单向流定床床面上水平管道周围流场与切应力分布特性

采用简化PIV方法,对悬空比G为0～1.6的单向流定床床面上水平圆柱绕流进行了系统的试验研究.通过对试验资料的分析,给出了圆柱绕流时的流场图和无量纲的床面、横管顶部和横管底部切应力的变化图,讨论了切应力随悬空比、管径、流速和水深的变化趋势.作者的研究成果有利于进一步研究海底管道的冲刷机理和冲刷坑的形成,进而有针对性的进行管道保护,减少管道破坏失效.     

海底管道管跨段在内外流体作用下的竖向动力特性研究

根据在复杂的海洋环境条件下,管道的动力特性受到内外流体的综合作用影响,呈现与陆地管道不同的特点。研究了结构受到外界流体所产生的涡激作用,同时考虑管内恒定流的影响,利用有限元方法对海底管道管跨段竖向振动的微分方程进行求解。在此基础上得出了管跨段在不同外流流速情况下,内流流速与结构动力响应幅值的关系及其对管跨段振动频率的影响,并进一步探讨了管跨失稳时的极限管内流速与跨长的关系,这些结论对于海底管道设计具有一定实际指导意义。     

涡激振动实验中的流速增大装置研发与性能研究

拖曳水池中进行立管涡激振动实验时,为了保证采样时间长度,难以达到较高的Re数。流速增大装置可以在不提高拖车车速的情况下增大立管外的流速。利用这种流速增大装置还可实现流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验。经过对流速增大装置中的进流段曲线进行优选,发现Witozinsky曲线的总体性能最好。在对流速增大装置进行水池实验和数值模拟后,发现流速增大区域的流速增大倍数接近进流段收缩比,流速增大区域流场比较稳定、均匀,流速增大装置对其外的流场影响很小。此流速增大装置不但可应用于拖曳水池中的立管涡激振动实验,还可以应用于对流速要求较高的水下航行体的水池试验,如鱼雷、水下机器人等。     

多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性

为了探究功能梯度管柱其热-流-固耦合屈曲特性对稳定性的影响,本文基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性。分析中采用含孔隙度的Voigt混合模型描述多孔功能梯度管柱的材料属性。基于Hamilton变分原理,获得了多孔功能梯度管柱在热-流-固耦合作用下的非线性动力学控制方程及相应的边界条件。讨论了材料非均匀参数、孔隙度、内流流速、温度和轴向张力等参数对屈曲特性的影响。结果表明：随着孔隙度体积分数的增大,管道的等效弹性模量减小,但是屈曲临界温度、临界流速反而有所增加、而对于幂律指数,其对临界值的影响刚好与孔隙度体积分数相反。     

高雷诺数下近壁圆柱绕流数值模拟与分析

近壁圆柱绕流问题在海底悬跨管道的研究中具有重要的意义。在绕流阻力、升力以及海底土壤的耦合作用下,海底管道所发生的移位、悬跨等现象对于海底管道的安全运行构成了很大的威胁。正确预测各种绕流条件下管流之间的作用力是保证油气管道安全的首要任务。海底管道在极端海洋环境条件下的管、流相互作用为高雷诺数绕流问题,处于高雷诺数下的绕流模拟比处于低雷诺数下的绕流模拟要复杂很多,它需要更精细的网格以及合适的湍流模型。此文对处于悬跨状态下的海底管道进行数值研究,给出不同间隙比下海流绕流海底管道的流场结构形态,分析了间隙比对绕流阻力和绕流升力的影响,为进一步研究海底悬跨管道的受力和变形提供载荷边界数据。     

海流作用下海底管道局部冲刷数值分析

在任意拉格朗日-欧拉参考坐标系下,采用基于雷诺平均的Navier-Stokes方程组(RANS)、流线迎风有限元方法、泥沙输运模型以及底床变形方程,对海流引起的海底管道局部冲刷进行了数值模拟。着重讨论了均匀来流流速和海底管道直径对局部冲刷发展过程及平衡冲刷深度的影响作用。数值结果表明,在冲刷的初始阶段,冲刷深度随时间迅速增加,之后缓慢逼近极限平衡深度;在管径一定的情况下,管道附近的局部平衡冲刷深度与流速大致呈线性关系;当流速超过某一临界区域后,最大平衡冲刷深度出现的位置并不在管道正下方,而是随流速的增加向管道下游方向移动;另外,管道直径也会对平衡冲刷深度产生比较明显的影响,在相同流速下,平衡冲刷深度大致随管径呈线性增大。在本文的计算范围内,海底管道的相对局部平衡冲刷深度基本随雷诺数线性增加,但流速对冲刷深度的影响作用要比管径的影响作用更为明显。     

基于CFD方法的十字形降落伞–航行体系统数值分析

为研究航行体对十字形降落伞流场和阻力性能的影响,基于Realizablek–ε模型采用PISO算法开展了十字形降落伞–航行体系统的非定常绕流数值计算,得到了详细的流场计算结果。研究了不同拖曳比下十字形降落伞–航行体系统的流场分布规律与降落伞衣及航行体的气动特性变化,结果表明：当拖曳比λ≤2时,航行体和降落伞衣形成闭式流动,降落伞衣阻力损失严重;当拖曳比λ>2时,航行体尾流区的压力恢复,降落伞衣底部形成稳定的正压区,流动形式由闭式转化为开式,拖曳比λ最大时的压差Δp相较拖曳比最小时的压差增加12%,降落伞衣阻力恢复,阻力波动减小;当拖曳比λ=4时,降落伞与航行体的阻力分别增加1.8%、25%。结果显示十字形降落伞–航行体系统的流场和压力分布更为对称,且气动特性处于最佳状态。     

三维正交非结构网格数值模型中物理流场的定义方法与改进

使用Casulli等(2000)的数值方法建立了基于正交非结构网格的U型渠道的三维近岸正压水动力数值模型,检验了模型使用ELM(Eulerian-Lagrangian Method)方法处理平流项时,物理流场的定义对模拟结果的作用。数值试验和结果分析说明,使用ELM方法计算平流项所需的物理流场对计算结果影响明显,而目前常用的两种物理流场定义方法都存在一定不足——水位计算值对流速变化的反映不灵敏或者会产生小扰动等。针对常用物理流场定义方法的不足之处,作者在Casulli方法的基础上利用对多边形切向流速分量进行平均的方法改进了物理流场定义,抑制了小扰动。     

深水海洋立管涡激振动试验流场设计及CFD数值模拟

针对阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验所需的外流条件,根据实验室的基本情况,对试验流场进行了设计改造和数值模拟。根据数值模拟的结果,选定了试验流场的改造方案,并对改造后测得的试验数据和数值模拟的结果进行了对比分析。结果表明:在低流速时,模拟结果与试验流速吻合较好;在高流速时,数值模拟结果比试验流速略大。在误差允许的范围内,可以得到均匀分布的流场。     

The “Furkert‐Heath” relationship for tidal inlet stability reviewed

The “Furkert‐Heath” relationship is a commonly used method of assessing the stability of New Zealand inlets. However, the equation published by Heath in 1975 was incorrectly calculated which has led to misinterpretation of data in some cases. Recalculation resulted in a new linear relation, presented here, between the inlet gorge cross‐sectional area A and tidal prism O. Misuses of the “Furkert‐Heath” equation are identified including: extrapolating predictions beyond the data field; neglecting errors inherent in measurement of A and O; method of characterising sedimentation regime; neglecting confidence limits of data; using A‐O relationships as the sole indicator of inlet stability; and applying the relationship to inlets other than barrier‐enclosed inlets.     

Morphodynamic Processes of Tidal Inlet and Ebb-Tidal Delta of Shuidong Bay

Based on the observed data in 1982- 1985 at Shuidong Bay area, west Guangdong Province, the morphodynamic processes of tidal inlet and ebb-tidal delta in the barrier-lagoon system are presented, including the dynamic features of tides and in the tidal inlet, the regional dyanmics and longshore sediment transport in the ebb-tidal delta, the genesis of the entrance bar, the recent erosion and deposition in the ebb-tidal delta and so on. The paper attempts to answer two questions, i. e., the stability of the tidal inlet and the feasibility of dredging on the entrance bar for the course of Shuidong Harbour. The results show that the stability of the tidal inlet is ideal and that dredging action on the entrance bar may be successful if dredging is deep enough and the course position reasonable.     

吞吐流量对湖泊流场结构影响的数值试验

本文利用EcoTaihu三维生态模型中的三维水动力学模型,开展了典型背景风场、多个吞吐流量条件下的湖流数值试验,分析比较流场达到稳定状态时。沿垂直方向平均流场随吞吐流量大小的变化特征。结果表明:随着吞吐流量的增加,湖泊垂向平均流场逐渐由受风生流控制转变成受吞吐流场控制,在此转变过程中存在临界吞吐流量值。当吞吐流量大小超过该值时,流场结构发生明显的改变,湖泊内小尺度的环流先消失,规模最大的环流最后消失;环流中流向和吞吐流流向一致的区域流速得到加强.而与吞吐流流向相反或差异较大的区域.流速先减小,后增加。风向和风速是影响临界吞吐流量值大小的主要因素。本文的研究结果对认识湖泊流场特征和了解物质在湖泊内的输移扩散具有重要意义,为合理规划引调水、准确预测水质、重建健康生态湖泊提供基础科学依据。     

潟湖潮汐通道水力特性与治理

综合论述了潟湖潮汐通道口门之流速、断面面积、通道长度、延时角和饱满系数之间的关系,以及沿岸漂沙对口门的影响。对不同类型的潟湖潮汐通道,提出了中潮位射流导流堤、口门复式断面和通道分汊等治理方法及其通道口门相关尺度的具体计算。     

非结构网格三维斜压模型研究人类活动对海南岛清澜潮汐汊道水动力影响

清澜潮汐汊道为海南岛东部一个典型的泻湖-潮汐汊道-沙坝系统,由于其优越的自然条件而成为开发的重点区域。近几年的人类活动主要包括:口门西侧的围填工程,航道的疏浚和八门湾泻湖内的围塘工程。采用SELFE模型,结合观测资料,研究了不同人类活动对潮汐汊道的潮波、潮通量与涨落潮历时、河口重力环流、盐水入侵和河口羽流的影响。结果表明不同的人类活动其对动力的影响不同,口门西侧围填工程减小了潮汐汊道的潮差,对潮通量和盐水入侵影响很小;航道疏浚则加大了潮差和潮通量,加强了河口环流和盐水入侵;泻湖内围塘工程使潮差有所增大,但减小了潮通量,对盐水入侵的影响不显著。口门西侧围填工程改变了河口羽流的路径,而航道疏浚则使河口羽流更加向海扩散。     

胶州湾潮汐通道地貌体系

胶州湾属基岩海湾型潮汐通道,湾口内、外发育较为典型的涨、落潮流三角洲,地貌体系较为完整。总的说来,胶州湾涨潮流占优势,但涨、落潮优势流路平面分异明显：落潮流三角洲中央以落潮优势流为主,两侧涨潮流占优势;涨潮流三角洲中部以涨潮优势流为主,两侧落潮流占优势,涨、落潮优势流在内、外汊道口之间发生交叉。由于水流的非正向入射,潮汐通道地貌体系不对称,潮流三角洲在湾内东侧发育、在湾外东北侧发育。     

潮汐汊道均衡断面面积计算与稳定性分析中的问题 ——以海南陵水新村为例

通过对潮汐汊道稳定性与均衡断面面积定义的探讨,明确了O Brien等、Kreeke与Bruun对潮汐汊道稳定性定义的差异。通过不同方法求解一维水力学与连续方程,计算了海南陵水新村潮汐汊道的封闭曲线,并采用华南沿海A-P关系得出的均衡流速曲线及Soulsby临界流速曲线,计算了新村潮汐汊道的均衡断面面积,根据O Brien等与Kreeke的稳定性定义对新村潮汐汊道的稳定性进行了判别。结果表明,在大、小潮期用不同方法及不同的断面变化方式得出的稳定均衡断面面积(A2)在同样的均衡流速曲线下基本一致,而小潮期的稳定均衡断面面积要小于大潮期,最大流速处的断面面积(Acc)要大于大潮期。A2、Acc及饱满系数为0.8时对应的断面面积三者之间具有较大的差异。用封闭曲线求取潮汐汊道均衡断面面积并进行稳定性判断,在概念上有一定意义,可以作为潮汐汊道稳定性判断的一个依据,但通过求解一维水力学与连续方程以获取均衡断面面积则具有较大的局限性与不确定性。应通过中长期的野外观测、数值模拟与物理模型,以确定潮汐汊道的水动力特征以及地形演变规律,得出A-P关系进而求出均衡断面面积,并结合Bruun方法判定潮汐汊道的稳定性。     

Development of a regional neural network for coastal water level predictions

This paper presents the development of a Regional Neural Network for Water Level (RNN_WL) predictions, with an application to the coastal inlets along the South Shore of Long Island, New York. Long-term water level data at coastal inlets are important for studying coastal hydrodynamics sediment transport. However, it is quite common that long-term water level observations may be not available, due to the high cost of field data monitoring. Fortunately, the US National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA) has a national network of water level monitoring stations distributed in regional scale that has been operating for several decades. Therefore, it is valuable and cost effective for a coastal engineering study to establish the relationship between water levels at a local station and a NOAA station in the region. Due to the changes of phase and amplitude of water levels over the regional coastal line, it is often difficult to obtain good linear regression relationship between water levels from two different stations. Using neural network offers an effective approach to correlate the non-linear input and output of water levels by recognizing the historic patterns between them. In this study, the RNN_WL model was developed to enable coastal engineers to predict long-term water levels in a coastal inlet, based on the input of data in a remote NOAA station in the region. The RNN_WL model was developed using a feed-forwards, back-propagation neural network structure with an optimized training algorithm. The RNN_WL model can be trained and verified using two independent data sets of hourly water levels.The RNN_WL model was tested in an application to Long Island South Shore. Located about 60–100 km away from the inlets there are two permanent long-term water level stations, which have been operated by NOAA since the1940s. The neural network model was trained using hourly data over a one-month period and validated for another one-month period. The model was then tested over year-long periods. Results indicate that, despite significant changes in the amplitudes and phases of the water levels over the regional study area, the RNN_WL model provides very good long-term predictions of both tidal and non-tidal water levels at the regional coastal inlets. In order to examine the effects of distance on the RNN_WL model performance, the model was also tested using water levels from other remote NOAA stations located at longer distances, which range from 234 km to 591 km away from the local station at the inlets. The satisfactory results indicate that the RNN_WL model is able to supplement long-term historical water level data at the coastal inlets based on the available data at remote NOAA stations in the coastal region.     

海南陵水新村港潮汐汊道演变及其稳定性分析

根据海南陵水新村港附近海区的卫星遥感图及其潮汐汉道的动力场，分析该潮汐汉道的演变状况及其泥沙动力机制，着重于其落潮三角洲的地貌演变与落潮主水道的动力过程，计算分析了其稳定性。研究结果表明，新村港潮汐汉道的落潮主水道表现出有规律的演变，汉道口门稳定性比较高，但其落潮主水道不太稳定。     

山东半岛月湖的潮汐水位特征

１９９８年１１－１２月和１９９９年８－９月在月湖用Ａanderaa WLR7/８型自记式潮位仪各取得２９d的潮位资料，对潮位数据进行了调和分析，并进行了对比，，结果表明，月湖潮汐类型属于以半日潮为主的混合潮，浅水分潮较为显著；冬季平均水位比夏季低０．３４m，冬季水位的非潮汐组分比夏季发育，冬季主要分潮相位比夏季延迟，这些差异可能是天气因素造成的。