斋堂岛水域潮流能发电站规划及对附近水域影响

青岛的斋堂岛水域,是我国北方较为典型的潮流能资源区,比较适合进行潮流能的规模化开发。基于Delft 3D-Flow建立斋堂岛及其附近水域的三维水力学模型,并通过实测数据进行校正和验证。在此基础上,考察TSE因子分布和实际水深对电站进行选址和规划,并采用动量损失的方法对电站中的水平轴潮流能水轮机进行模拟,进而对其可能带来的影响进行评估。仿真结果显示:潮流能发电站对区域水位影响较小,最大水位改变不超过3 cm;对区域流速影响较大,在电站附近局部流速下降能够达到50 cm/s,影响范围能达到电站尾流处2.5 km以外。     

基于漂浮平台的潮流能水轮机阵列优化

为开展基于漂浮式电子信息平台的潮流能提取装置（水轮机）的布置方式优化研究,本文建立潮流与水轮机阵列及漂浮电子信息平台立柱相互作用的三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模型,考虑漂浮平台水轮机组阵列并列和错列两种布置方案,分析立柱扰流对水轮机阵列流速的干扰和水轮机间尾流的相互影响,为后续的潮流能发电装置在海洋装备上的一体化设计提供数据支撑。对比分析结果表明：在设计流速0.8 m/s下,当来流角度达20°时,并列布置的平均功率系数下降35.97%,最小功率系数为0.023;而错列布置平均功率系数下降24.70%,最小功率系数为0.071。同时,结合水轮机组的设计流速下叶轮横截面流场速度分布图和水轮机尾流场水平面流速分布情况,水轮机阵列采用错列布置比并列布置布局方式更优,尾流效应影响更小,潮流能利用效率更高。     

潮流能水轮机尾流场及涡特性DDES模拟

为研究潮流能水轮机尾流场流动特性及涡结构组成,基于DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)模型对不同流速和转速的4种工况下水轮机尾流场进行数值模拟,并进一步探究其尾流场空间涡结构的变化特性。结果表明,水轮机的数值模拟结果与试验结果能够较好吻合。对比不同工况下的尾流场模拟结果可知:水轮机尾流区域流动复杂,延迟分离涡模拟方法能有效模拟水轮机旋转过程中产生的叶尖涡、叶尖脱落涡、轮毂涡等不同涡结构,并能完整观察到叶尖涡的产生、脱落、失稳、破碎过程。转速一定时,流速越大,叶尖脱落涡、轮毂涡的发展距离越远;流速一定时,转速越大,涡的发展距离越短。本文数值模拟计算结果可为实际海况中潮流能阵列水轮机的布局提供可靠依据。     

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。     

厦门湾海域及金门水道潮流能特征分析

采用无结构三角形网格海洋数值模式FVCOM,建立厦门湾及其邻近海域三维潮汐潮流数值模型。通过模型计算结 果统计其潮流能要素特征表明：大小潮期间平均流速较大区域主要发生在金门水道、金门北东水道、厦门东侧水道、九龙江 口至青屿水道以及安海湾口门附近海域;该海域最大可能流速最大值可达到2.2 m/s,发生在金门北东水道,金门水道次之; 金门水道一年内垂向平均流速超过1 m/s的时间占28.3 %;金门水道潮流能蕴藏量为2 917 kW。     

电动变桨式潮流能水轮机获能分析与应用

我国具有丰富的潮流能资源,但是存在潮流流速偏低、难以高效利用等问题。潮流能水轮机变桨距技术的利用,可有效提高潮流能资源利用效率。以提高潮流能水轮机高效获能为目标,分析了水轮机叶片桨距角对潮流能水轮机获能的影响规律,研究了水轮机变桨距技术原理及控制策略。在20 k W潮流能水轮机中运用了电动变桨距技术,根据潮流流速的不同,使用最大功率点追踪控制算法控制桨距角,并对机组运行过程进行实时测试。机组运行数据表明,与非变桨水轮机相比,变桨式潮流能水轮机可有效提高其获能效率。     

湍流对潮流能发电水轮机性能影响数值仿真研究

潮流能发电水轮机的实际工作海域往往存在不同程度的湍流,而湍流会对潮流能发电水轮机的获能系数、轴向力系数和尾流场性能等产生影响。研究湍流对潮流能发电水轮机性能的影响规律,对于实海况下潮流能发电水轮机的性能预测、可靠性和安全性的提高以及潮流能发电场多机组排布优化等具有一定的参考价值。通过对潮流能发电水轮机试验模型进行建模,并用CFD(Computational Fluid Dynamics)分析软件Fluent对处于不同湍流强度下的潮流能发电水轮机性能进行数值模拟,得到其获能系数、轴向力系数及尾流场特性。通过分析数值模拟结果,并与相关参考文献的试验结果进行对比。研究结果表明:湍流强度越大,水轮机获能系数和轴向力系数越小,尾流场速度恢复越快;水轮机后方尾流场纵向和横向影响区域更大。     

黄河口附近海域潮流特征分析

黄河口作为我国重要的河口区域,研究其潮流特征对河口海域工程建设及环境保护具有重要意义。本文利用黄河口大潮期6个站位25 h连续潮流观测结果,采用准调和分析及数据统计方法,研究了该区域观测期间的潮流特征：观测期间,各站流速流向差异性较大,平均涨潮流历时大于平均落潮流历时。调和分析结果可知,半日潮流为该区的潮流性质,并且多数的站为往复流,该区所受浅水分潮流的影响较低。0～3 cm/s为各观测站的主要余流流速区间,S—SSW向为余流主向;各站位的流速在垂向上基本呈现出逐渐减小的态势。     

水平轴潮流能水轮机水动力数值模拟研究

针对水平轴潮流能水轮机,对其进行了力学分析并运用CFD方法对其水动力性能进行了仿真计算。比较了定常计算与非定常计算结果的区别,运用定常计算(MRF)方法得到了表现水轮机性能的功率、扭矩和推力特性曲线,分析了水轮机在不同尖速比时的表现。对水轮机模型进行了拖曳水池试验,并与仿真数据进行了比对分析,两者吻合度较好,并分析了试验过程中出现的在尖速比较大时功率系数衰减的现象,表明CFD方法对水轮机的工程实践有着指导意义。得到了尾流场的速度云图、流线分布图与衰减曲线,结果表明相对于水轮机的直径,受到其影响后的流场存在扩张现象。分析了水轮机后不同位置处的流场衰减情况,结果显示,随着水轮机后轴向距离的不同其速度恢复差别很大,对于今后潮流能水轮机的大规模布置方式研究提供了依据。     

大连湾及附近海域潮流场数值模拟

用ＡＤＩ法模拟计算了大连湾及附近海域Ｍ２分潮潮流场，在处理平流项时采用迎风格式，在每一时间步长，产生一个只包含水位的三对角方程组，并用Ｔｈｏｍａｓ算法求解，可节省大量计算机内存和计算时间，将模拟结果与交配实测资料比较，二进者吻合较好，并根据计算结果分析了大连湾及附近海域的潮流特征，潮流的主要运动形式为往复流，开阔海域最大流速约５０ｃｍ／ｓ，各湾自湾口至湾顶流速呈递减趋势，湾顶附近流速均在５ｃｍ／ｓ     

两种湍流模型在潮流能水轮机数值模拟中的适用性研究

在对特定湍流条件下的水平轴潮流能水轮机进行数值模拟时,不同的湍流模型对于计算结果具有一定的影响。为选择合适的湍流模型对所设计水轮机的三维流场进行描述,将采用常用的两方程模型(SSTk-ω与Realizable k-ε)进行数值模拟,得到不同工况下水轮机的性能参数以及水轮机后1.5D处流场的流速、湍流强度分布情况,并进行模型水槽试验,试验值与采用两种湍流模型进行数值模拟得到的仿真值对比表明:在低尖速比工况下,采用SSTk-ω进行数值模拟得到的仿真值比Realizable k-ε更接近试验值,在较高尖速比时,采用Realizable k-ε进行模拟得到的数值更接近试验值;采用两种湍流模型进行数值模拟得到的速度分布具有相似性,但对于湍流强度的预测,SSTk-ω更具有优势。考虑此水轮机的实际工况,选择SSTk-ω湍流模型进行描述更加合理。     

大沽河下游地区地下咸水的水化学特征及成因

大沽河下游地区存在大面积咸水体,为了查明咸水体盐分的来源,揭示地下水咸化机理,于2017年4、8和10月在大沽河下游地区采集地下水样品,对其进行研究。现场原位监测地下水的水位、水温、电导率和总溶解性固体等,并采集水样进行主要水化学离子测定。用数理统计法、吉布斯图解法、主要水化学离子比值法以及卤族元素比值法对地下水样进行综合分析,分析地下水化学分布特征,识别出地下咸水的盐分来源;并结合古地理、地质和水文地质资料,研究其咸水形成机理。结果表明:(1)研究区由西北向东南方向,TDS和Cl浓度均逐渐升高,水质由淡水逐渐向盐水转化,地下水的优势阴离子类型沿着HCO_3型→HCO_3·Cl型→Cl·HCO_3型→Cl型变化,大部分地区的阳离子以Na^+占主导地位。(2)研究区内地下淡水受到岩石风化-溶滤和蒸发浓缩的共同影响,地下咸水的形成主要受到与海水的混合作用控制,还受到阳离子的交换吸附和矿物溶解作用的影响。(3)综合Br/Cl和I含量,证实了研究区存在着海相沉积地层的溶解作用,这是研究区东南部地下咸水的重要盐分来源。     

日照豪迈码头港池布局对泥沙输移影响研究

港池的布局会改变其周边海域水动力条件及其泥沙冲淤状况,为了进一步了解其影响程度,本文以山东日照豪迈重工临港厂区运输码头的改造工程为研究对象,利用平面二维数值模型MIKE21/3 Integrated Models,建立了潮流和波浪耦合作用下的泥沙输移数值模型,对该工程附近海域进行了波浪、潮流和泥沙输移的数值模拟。同时采用实测数据对数值模型进行了验证,数值模拟结果与实测资料拟合较好,表明MIKE21能有效地模拟运输码头及其周围海域潮流的变化过程。以日照豪迈重工临港厂区运输码头为依托,基于数值模拟结果,分析不同改造方案下的水动力条件和泥沙冲淤状况。结果表明:港池布局对水动力条件影响甚微,对地形地貌冲淤影响较大;模拟结果确定港池南向开口为最佳改造方案,为工程的规划和设计提供科学依据。     

基于生物炭技术的农作物秸秆收购半径与收集站设置的数学模型

生物炭是酸性土壤修复的重要新型材料,生物炭技术是农作物秸秆开发利用的新兴技术,而农作物秸秆收集半径和收集站设置是影响农作物秸秆生物炭技术应用的关键因素,假设在农作物秸秆均匀分布的圆形区域建设生物炭生产基地,对影响生物炭生产基地效益的农作物秸秆收购半径进行分析,建立了"农作物秸秆收购半径数学模型",获得其最优收购半径为R=(a-c)/b(其中为单a位质量农作物秸秆相关收益,b为单位质量单位距离农作物秸秆运输费用,c为单位质量农作物秸秆变动成本)。同时进一步分析,建立了"农作物秸秆收集站位置设置数学模型",假设从收集站向生产基地运输单位质量单位距离农作物秸秆费用q比其直接运输至生产基地费用b节约50%时(即q/b=0.5),获得其最优位置为0.49R (其中R为收购半径)。收购半径和收集站模型的建立,为我国北方农业主产区农作物秸秆收集利用提供参考。     

不同水位垂直流人工湿地中植物及微生物特征

利用4个连续进水的垂直流人工湿地,比较分析水位对污染物去除效果的影响,研究湿地中植物对氮磷去除的贡献,阐析湿地中脱氮功能菌数量的演变规律。3个湿地栽种黄花鸢尾,水位分别控制在19、51和84cm,另一个湿地不栽种植物,水位为51cm。结果表明,水位对氮和有机物的去除有显著影响(p<0.05),栽种植物的湿地中,51cm水位时总氮去除率(67.4%～79.2%)最高,19cm水位时氨氮(85.3%～93.0%)和COD(81.8%～92.9%)去除效果最好。试验中黄花鸢尾均生长良好,植物吸收对总氮(Total nitrogen,简称TN)和总磷(Total phosphorus,简称TP)去除的贡献分别为19.2%～27.3%和14.7%～19.2%;植物地上部分发挥更重要作用,其TN和TP含量及对TN和TP的吸收量均高于地下部分。湿地表层基质中3种脱氮功能菌数量均随运行时间的增加而显著提高,亚硝化细菌和硝化细菌数量分别为10~4～10~6和10~5～10~7 MPN/g,随水位升高而减少;反硝化细菌数量为10~3～10~6 MPN/g,随水位升高而增加。     

纳米TiO2对菲律宾蛤仔消化腺中Cd的蓄积与生化响应的影响

随着纳米科技的发展及纳米颗粒在纺织、食品、太阳能及水处理等各行业的应用,进入水生环境的纳米颗粒对其中痕量金属的生物地球化学循环及其生物学效应的影响受到关注。本文研究了水环境中分布最广泛的纳米二氧化钛(n-TiO2)对镉(100μg·L^-1)在海洋双壳类菲律宾蛤仔体内生物利用性及生物效应的影响,通过14d的暴露实验,在环境真实浓度下研究Cd在蛤仔体内的蓄积量及毒性。暴露期间测定了蛤仔消化腺中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽S-转移酶(GST)、丙二醛(MDA)和金属硫蛋白(MT)等生物标志物的活性或含量,同时分析了消化腺中Cd的蓄积。暴露3d后,Cd处理组及n-TiO2+Cd处理组均观测到蛤仔消化腺内Cd含量显著升高(p<0.05),并随时间延长而不断升高。各处理组SOD活性在整个暴露周期内与同期对照组相比均无显著差异。CAT(3d)和GST(7、14d)活性仅在Cd处理组出现显著升高(p<0.05)。Cd处理组在暴露结束时出现MDA含量的显著增加;n-TiO2单独及联合处理组MDA含量显著上升出现在7d后,至暴露结束时与对照组无显著差异。随暴露时间的延长,只有Cd处理组中蛤仔消化腺MT的含量呈现显著升高。结果表明,相同浓度条件下,Cd对蛤仔的亚致死毒性高于n-TiO2,而n-TiO2能够通过抑制Cd的生物积累而减轻后者对蛤仔的毒性,这种影响与n-TiO2对Cd的吸附作用有关。     

沙尘和灰霾对西北太平洋浮游植物群落结构变化的影响

通过在西北太平洋黑潮亲潮混合区(E02和E10M)和副热带寡营养区(M1和M1B)开展的船基围隔培养实验,探究了不同海域表层海水中浮游植物对沙尘和灰霾添加的响应,以及浮游植物群落结构的变化。结果表明,黑潮亲潮混合区浮游植物可能受铁(Fe)限制,副热带寡营养区浮游植物主要受氮(N)限制。沙尘和灰霾添加均可以促进浮游植物生长,并可使浮游植物的粒级结构分布发生明显变化。在黑潮亲潮混合区,沙尘添加组使小型浮游植物对总叶绿素a的贡献率(C_Micro)由～10%上升至～55%,超微型浮游植物对总叶绿素a的贡献率(C_Pico)由～70%下降至～20%,但在培养实验过程中,各粒级浮游植物对总叶绿素a贡献率的变化量与沙尘添加量无明显的相关关系,这种现象的原因可能是不同量的沙尘添加均可为浮游植物的生长提供较充足的Fe导致的。在副热带寡营养区,沙尘或灰霾添加组的C_Micro由～10%上升至～35%,C_Pico由～70%下降至～55%～～35%,各粒级浮游植物对总叶绿素a贡献率的变化与沙尘或灰霾添加量呈线性相关关系,表明浮游植物的生长对沙尘或灰霾的N供给量具有较高的敏感性。     

原土环境下水泥土强度衰减过程室内试验研究

在水土耦合的室内原土环境中,通过微型贯入、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)分析、X射线衍射(XRD)、离子含量及pH值测试等多种试验手段,研究滨海相软土场地形成的水泥土强度的分布规律及其衰减过程,并阐明水泥土劣化层和未劣化层的发展规律。结果表明:水泥土劣化深度随养护时间的增长和水泥掺入比的减小不断增大,至360d时最大劣化深度达到11.9mm,明显大于同龄期海水环境中养护的水泥土的劣化深度;与未劣化层相比,劣化层的孔径增大,孔隙增多,水泥水化产物减少;经原土养护相同时间,水泥土中pH值及主要离子含量分布规律与室内海水环境中的水泥土相似,其中pH值和Ca^2+含量随着试样深度的增大而增大,而Mg^2+、SO4^2-、Cl^-含量随试样深度的增大而减小;水泥土中Ca^2+含量沿试样深度方向的分布规律与强度变化规律相似。在原土条件下,水泥土中Ca的溶出更加显著,导致后期水泥土强度衰减加剧。原土中水泥土强度衰减过程与海水中相同。     

盐度对序批式生物膜反应器性能及微生物活性的影响

本文研究了盐度变化对序批式生物膜反应器(SBBR)性能及微生物活性的影响。研究结果表明,进水盐度不超过1.5%时,SBBR对COD的平均去除率高于88.63%,但进水盐度为2.5%时,对SBBR的COD去除产生抑制。当进水盐度由0%增加到2.5%时,NH^+_4—N去除未受到影响,出水NO^-_3—N浓度在0.30～3.30 mg/L范围内变化,然而出水NO^-_2—N浓度从0 mg/L逐渐增大到(4.35±0.02) mg/L。比耗氧速率由进水盐度为0%时的(27.39±1.16) mg O_2/(g MLSS·h)增大至进水盐度为1.5%时的(83.41±1.17) mg O_2/(g MLSS·h),而在盐度为2.5%时比耗氧速率降低至(38.62±1.08) mg O_2/(g MLSS·h)。比氨氧化速率、比亚硝酸盐氧化速率、比硝酸盐还原速率和比亚硝酸盐还原速率均随着进水盐度从0%增加到2.5%而逐渐降低。当进水盐度为2.5%时,氨单加氧酶、亚硝酸盐氧化还原酶、硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶和脱氢酶的活性与盐度为0%时相比分别降低了41.48%、95.86%、28.57%、27.85%和48.13%,表明盐度增加抑制了微生物酶的活性。     

浅水条件下浅层气走航式海洋电阻率法探测结果模拟分析

为分析海面走航式海洋电阻率探测技术对浅水条件下海底浅层气的探测能力,以舟山火山列岛海域浅层气分布区为研究区,根据电测井资料分别构建不同埋深和尺寸的气层、气囊地电模型进行正、反演计算,并对计算结果进行对比分析。计算结果显示,海面走航式电法探测剖面在一定条件下能够有效区分出浅层气的赋存形式,基于实测数据二次处理的电阻率变化比剖面能够有效反映层状浅层气的赋存状态及厚度、气囊尺寸的变化;当含气土与非含气土的电阻率变化比与含气层厚度值的1.2%相近时,其对应的等值线能够与含气区域良好吻合,可以有效判定含气区的底界埋深。