孤立桩柱上冰压力的经验公式计算法及试验验证

本文简要介绍了冰排在桩柱前挤压破坏和压屈破坏的判别、冰排运动的驱动力,然后比较了各国常用的一些计算冰力的经验公式,推荐了公式,并推荐了公式中系数的取值法,最后通过冰力模拟试验,验证了所推荐公式和系数取值法的正确性。     

辽东湾孤立桩柱上冰力的概率分布

根据水文气象资料求出了辽东湾四个测站的平整冰厚、平整冰抗压强度,进而在选用合理冰力计算公式的基础上,计算了辽东湾海区孤立桩柱上的年极值冰力,并确定了冰力的概率分布模式:年极值冰力不拒绝威布尔、正态、对数正态和极值Ⅰ型分布.又根据冰力模型试验资料得到了孤立桩柱上冰力的短期分布规律:不拒绝极值Ⅰ型分布.     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程,并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料,模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征,同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征,即两波相交处相速随振幅的增大而变大。相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势。     

内孤立波与深海立管相互作用数值模拟

提出了一种对内孤立波与深海立管相互作用耦合数值模拟方法。流场采用内孤立波数值水槽方法进行模拟,结构响应采用基于薄壳理论的有限元方法进行计算,采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的方法,实现了流体与固体之间的耦合数值模拟。对内孤立波作用下某长径比为1 200的深海立管载荷及其动力响应特性进行了数值模拟与分析。结果表明内孤立波不仅会对深海立管产生突发性剪切载荷作用,而且还会使立管产生大幅度变形响应现象,因此在深海立管设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。研究表明,该方法为研究内孤立波作用下深海立管动力特性及其工程预报相关问题提供了一种有效的手段。     

孤立波与升沉水平板相互作用数值模拟研究

合理的刚度和潜深设计可以使升沉水平板获得优异的消浪性能。基于考虑流体黏性的二维不可压缩Navier-Stokes方程,以高阶紧致插值CIP(constrained interpolation profile)方法求解方程对流项,采用VOF(volume of fluid)方法重构自由液面,构建二维数值波浪水槽。采用试验数据验证模型后,研究孤立波与升沉水平板相互作用,分析相对刚度K*、相对潜深d/h、相对波高H/h对于升沉板的消浪性能和运动响应的影响,揭示升沉板对孤立波的消浪机理。研究表明:在孤立波通过时,升沉板会经历一个先上升后下降的运动,随后非线性自由振动,板下方水体近似均匀流动,且水流的垂向流动与板的垂荡方向一致;升沉板主要通过不对称涡旋脱落、浅水变形、波浪反射与辐射波转化等方式消耗孤立波能量;一定条件下,采用最优相对刚度K*=4.0和最优相对潜深d/h=0.52可以取得良好的消浪效果,此时透射系数最小,同时升沉板的运动响应在合理的范围内。     

海冰与波浪的相互作用

海面上冰盖的生长及运动情形在有波浪的环境中有其特点,本文探讨一些目前己知的冰消波机理,冰顺波流动程度,及在海波影响下冰盖生长的特点。     

海冰与直立结构相互作用的破坏模式研究

海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法（DEM）模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norstr?msgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,对不同宽厚比（结构宽度与海冰厚度的比值）工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明：当宽厚比＜10时,海冰破坏模式主要为挤压破坏;当10≤宽厚比＜30时,海冰混合破坏发生;当宽厚比≥30时,海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后,构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。     

可渗透海床单桩孤立波破碎波浪力数值研究

当波浪传播至近岸浅水区时易发生破碎,波浪破碎后水体直接拍击单桩结构,其波浪作用力显著增大,可能导致结构失稳破坏。首先建立包括斜坡海床的数值波浪水槽,并与已有研究进行对比验证。进而开展考虑斜坡海床可渗透性的孤立波数值模拟,分析孤立波传播与浅水化破碎特征,着重研究竖直单桩上破碎波浪力的特性,及其与单桩位置、海床渗透率的关联性。数值研究发现:对于低渗透率海床,随着单桩位置由深水向岸线位置变动,其所受波浪力先增后减,所受波浪力最大的桩体位置随海床渗透率增加而从波浪破碎点前方移动至破碎点后1D处,而在高渗透率海床上不同位置处桩体所受波浪力均较小;随海床渗透率等梯度增加,海床消波作用逐渐增强,波浪破碎进程延缓,波浪破碎点向岸线方向加速移动,单桩上破碎波浪力呈整体下降趋势,但可能因波浪破碎点的位置变动导致部分位置桩体所受波浪力异常增大。     

渤海海冰季节演变的数值模拟

MM5数值产品作为大气强迫,利用冰-海洋耦合模式模拟2003～2004冬季渤海海冰演变过程。与海冰遥感、海洋站监测资料等实测资料相比,初冰日和终冰日和观测数据比较接近,模拟海冰各个发展阶段主要分布特征和MODIS遥感图像相似,但模拟的海冰厚度与辽东湾93平台、202平台的冰厚观测数据相比存在较大出入,说明该模型还有待改善。总体上看,冰-海洋耦合模式基本具备模拟渤海海冰季节演变过程的能力。     

两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟

提出基于双推板的内孤立波数值造波方法,对两层流体中内孤立波与潜体的相互作用进行了数值模拟,分析不同潜深下潜体所受的内孤立波载荷特性.结果表明,内孤立波对水下潜体的载荷作用是不可忽视的.特别地,当潜体位于内孤立波中时,其所受的垂向力要远比潜体位于内孤立波下时的大.     

普里兹湾海冰季节性变化的高分辨率数值模拟

普里兹湾海冰以一年冰为主,海冰覆盖存在较大的季节性变化.海冰的分布及其季节性变化主要受当地大气环流及海流的影响.基于一个海洋-海冰耦和模式,模拟研究了该海区海冰的季节性变化特征.海洋模式基于MIT环流模式(MITgcm),海冰动力学模式参考Hibler类型的VP模型,热力学过程取自Winton三层模型.模式区域覆盖整个...     

作用于平台桩腿的海冰屈曲破坏冰压力随机过程模型及其参数确定

冰对结构的作用过程是典型的随机过程。本文在冰压力过程为平稳过程的假设下，从渤海海冰对平台桩腿作用的大量实测冰压力数据中，选取了２１条冰屈曲破坏时的冰压力时程曲线，对它们进行谱分析后，得到了单点冰屈曲破坏的压力随机过程的谱密度，并确定了谱参数及其跟环境要素的关系，依据文献［１］中冰压力沿圆柱面的空间分布，建立了绕桩腿的冰压力随机场模型，并得到了作用于桩腿的总冰力随机过程及其谱密度。本文的研究成果为平台结构冰激随机振动和疲劳累积损伤分析提供了荷载基础     

孤立波与直墙式多孔介质结构相互作用数值分析

以连续性方程和雷诺平均方程为控制方程,用k-ε模型封闭方程组,采用VOF方法追踪自由面,建立了具有造波和消波功能的二维孤立波数值水槽。并基于改进的Darcy多孔介质模型研究了二维孤立波与直墙式多孔介质结构的相互作用问题。数值分析了孤立波与直墙式多孔结构相互作用引起的流场和波形变化特性,并与文献中的实验结果进行了比较,数值结果与实验结果吻合良好。     

陡坡上孤立波爬高的数值模拟

波浪爬高是海岸工程中重要的水动力学问题之一,其数值模拟方法通常是通过离散Navier-Stokes方程或Boussinesq方程实现的,其中基于光滑粒子流体动力学方法是近年发展起来的。本文应用该方法模拟相同水深下,不同波高的孤立波在45(°)陡坡上的爬高,模拟结果与理论计算结果及已有物理模型试验结果进行了对比,并模拟出孤立波激散破碎过程及粒子分布和速度场的变化过程。结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,说明光滑粒子流体动力学法在波浪爬高计算中的有效性。     

基于InterDyMFoam的潜礁孤立波传播数值模拟

建立了基于OpenFOAM动边界的类fixedValuePointPatchVectorField继承的仿物理造波数值波浪水槽。对孤立波在三种不同潜礁地形上的行进、爬坡以及破碎等典型过程进行数值模拟,模拟结果与Boussinesq模型及物理模型试验所得结果进行了对比分析。结果表明,采用动边界进行仿物理造波更适合处理波高水深比较大的孤立波传播问题,可以较好地模拟孤立波在潜礁上传播引起的波浪破碎、水跃等现象。     

SPH方法的孤立波与部分淹没结构物相互作用数值计算研究

为研究孤立波作用下结构物周围流场特征,基于无网格SPH方法,建立孤立波与海洋结构物相互作用模型,对不同波幅孤立波作用下部分淹没矩形结构物周围波面、流速、涡量及结构受力特征进行计算分析,探索了相对波高对非淹没结构物周围流场的影响规律。结果表明:流场特征与相对波高密切相关,相对波高较小时,波面、流速、涡量及结构荷载均较为光滑,相对波高在0.2以上时,波峰爬升至结构物顶部并在越过结构物后与水槽内水体碰撞造成流场波动,波面、流速、涡量及结构荷载的波动幅度随着相对波高增大而增大,流场更加复杂,结构物水平和垂向负压也越大,且结构物周围涡分布逐渐向深度方向和下游方向发展。     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

孤立波与带窄缝双箱相互作用模拟研究

针对孤立波与带窄缝双箱的作用问题,应用时域高阶边界元方法建立了二维数值水槽。其中,自由水面满足完全非线性运动学和动力学边界条件,对瞬时自由表面流体质点采用混合欧拉-拉格朗日法追踪,采用四阶龙格库塔法对下一时刻的自由水面的速度势和波面升高进行更新。采用加速度势法求解物体湿表面的瞬时波浪力。采用推板方法生成孤立波。通过模拟孤立波在直墙上的爬高以及施加在直墙上的波浪力,并与已发表的实验和数值结果对比,验证本数值模型的准确性。通过数值模拟计算研究了窄缝宽度、方箱尺寸对波浪在箱体迎浪侧爬高,窄缝内波面升高,箱体背浪侧透射波高及箱体受波浪荷载的影响。同时研究了有一定时间间隔的双孤立波与带窄缝双箱系统作用问题。     

内孤立波波致流场数值模拟研究

基于KdV、mKdV理论,利用Fluent计算软件,采用"平板拍击"造波方法,进行内孤立波数值模拟,并与物理实验结果进行对比验证。利用数值模拟结果,分析内孤立波波致流场变化,结果表明:上下层流体中波致水平流速方向相反,均呈现先增加后减小的变化趋势,且波谷经过时刻流速最大;在波谷经过断面处,波致水平流速在上层流体中沿垂向分布无明显变化,在波面以下的下层流体中有衰减趋势,但衰减很小;两层流体界面与波谷之间存在过渡水深范围,水平流速在该水深范围内沿垂向衰减明显,且随内孤立波振幅的增大,过渡水深范围有所增大。     

行经非平坦底面浅水孤立波演化的数值模拟

本文研究浅水孤立波行经非平坦底面的演化问题.将变底问题的Boussinesq方程进行改写后,直接应用三次样条理论离散,建立了一种简单且稳定的差分格式,对感兴趣的问题进行了多种数值模拟,对孤立波爬越过斜台阶后的分裂现象的数值结果与文献〔1—3〕的结果十分吻合,说明本文方法的可靠性.除此之外,本文对孤立波越过楔形以及孤立波形凸突底面的情况进行了多种参数的计算,显示出主波后逐渐衰弱的二次波列现象.