海底矿石软管中水力输送数值模拟研究

海底矿石在软管中的水力输送是深海采矿的重要过程。采用计算流体动力学—离散元耦合的计算方法（CFD-DEM）,对矿石颗粒在软管中的输送进行数值模拟,重点关注矿石颗粒的运动、分布规律以及管壁受到的颗粒作用力,分析输送速度和输送浓度（入射颗粒的体积分数）对输送过程的影响规律,探索管道中易发生堵塞、易受颗粒磨损的区域。结果表明,软管中颗粒的动力学特性与管道倾角、输送速度和输送浓度有关。颗粒主要沿管道截面底部推移,倾角较大的上升段出现处于悬移状态的颗粒;管道横截面内颗粒运动速度从上至下递减,截面中心处颗粒的速度接近输送速度。输送过程中颗粒的局部浓度（该区域颗粒与固液两相流的体积比）始终大于输送浓度,局部平均速度始终小于输送速度。上升段颗粒体积分数大于下降段,颗粒速度小于下降段。管道拱顶和谷底位置管壁所受颗粒作用力最明显,管壁最可能受颗粒磨损。     

海—气相互作用与海流、风暴潮

从方法论上说,除潮汐以外,通常在处理海洋动力学问题时,大多撇开海洋对大气的影响,强调大气对海洋的主导作用,把大气运动当作诱发海水运动的唯一原动力,视海面风场为给定条件,而后用经验或半经验公式算出海面风应力场,作为施加于海水的强迫力。因此,一个成功的海浪、海流或风暴潮的预报,除了具备反映海水运动的主要物理性能的数学模型外,还必须以客观的、准确的海面风场的数值计算和预报为前提。由于问题的复杂性,迄今为止似乎还不能说在实用上已经提供了海面风的一种足够精确的估算或预报方法。海上气象观测资料,尤其是测风资料的稀少,给海面风应力的实际计算带来不少困难。     

近岸浅海潮流数值模型及其应用

在Casulli提出的半隐式有限差分方法的基础上,通过改进底摩擦力公式以避免在超浅水域底摩擦项过大的缺点,对底摩擦项进行线性化处理以获得隐式效果,对平流项采用适当的差分格式以减小假扩散及对活动边界引入误差的传播,采用高效的选代格式提高运算速度,建立了适合于近岸浅海的潮流数值模型。该模型有良好的稳定性,计算时间步长不受CFL条件的限制。在防城港的潮流模拟中,模型的验证结果良好。     

海冰表面和底层形态的特征相关性分析——以2011年早春拉布拉多海海冰实验数据为例

海冰表面和底层形态的特征相关性分析对海冰分类、气候研究以及海冰厚度估计等方面具有重要作用.目前,海冰底层形态的研究较少,且缺乏海冰表面和底层形态的相关性研究.针对这一问题,本文利用加拿大渔业和海洋局提供的积雪表面粗糙度高度(定义为海冰或积雪表面相对于周围平整表面的高度)、海冰底层轮廓、积雪深度以及海冰厚度数据,采用均方...     

网箱形状在海流中变化特性的模型试验

据田内相似准则设计了一模型网箱,通过试验测量其不同装配、不同流速、不同配重下,网箱表征容积（网箱横截面的投影面积）的变化。结果表明。流速增加使网箱有效容积受到很大损失;增加配重对于改善网箱的变形是有限度的,在网箱底部加装底框可在一定程度上改善网箱的耐流性能,而作者开发的网箱耐流锚泊技术,可以在较大的流速情况下很好地改善网箱的变形,减少网箱的容积损失,提高网箱抗流性能。     

星载SAR浅海水下地形和水深测量模拟仿真──水下地形高度、坡度和方向与可测水深分析

根据星载合成孔径雷达(SAR)浅海水下地形和水深成像机理,建立了浅海水下地形和水深雷达后向散射截面仿真模型.利用该模型模拟并分析了不同地形条件下,浅海水下地形的雷达后向散射截面.分析结果表明,水下地形高度越高,SAR可测量的水深越深;水下地形坡度越大,越易被SAR所观测.水下地形的星载SAR测量还与水下地形的方向有关,与卫星飞行方向平行的水下地形最易被SAR观测,与卫星飞行方向垂直的水下地形最不易被SAR观测.     

浮冰界面融化速率参数化方案的实验室研究

融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存,三者融化速率是底面大于侧向,侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小,侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案,在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样,开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验,获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据,构建试样直径厚度比这一新指标,通过物理分析和数学统计手段,建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度,侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案,期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。     

粤东及闽南近岸上升流对局地风场变化的响应

本文利用2010年6-7月的实测温盐、水位、海流等资料,结合风场数据,讨论了在台风影响较小的情况下,粤东及闽南近岸上升流对局地风场变化的响应特征,主要结论如下:（1）谱分析结果显示,沿岸风、水位、海流、近底层水温均具有3.5～4.0 d、5.0～5.5 d、8.3～9.0 d的波动周期,沿岸风的变化引起上升流强度在3～9 d周期上的波动;（2）上升流对局地风场变化的响应过程如下:利于上升流产生的局地风场发生变化时,沿岸风作用下产生的Ekman输运促使的上升流区水位的下降幅度发生改变,随即向岸方向的压强梯度力也发生变化,进而导致沿岸流及近底层向岸流的增强或减弱,而近底层向岸流强度的改变又会引起近底层水温的变化;（3）相关分析及交叉谱分析的结果表明,沿岸风的变化将在3 d以内影响上升流区近底层水温。以34 m向岸流代表近底层向岸流,则“沿岸风-水位-近底层向岸流-近底层水温”这一过程的响应时间依次为24 h、7 h、27 h左右。     

Contourites within a deep-water sequence stratigraphic framework

Sequence stratigraphy has proven to be an extremely useful predictive tool in the search for hydrocarbons along the continental margins. However, of the several models in use, none includes the effects of alongslope processes in deep-water. This paper, therefore, is a first attempt to place contourite depositional systems (CDSs) firmly within a sequence stratigraphic framework, based on detailed examination of over 20 CDSs worldwide. It also presents a new view of how sea level variation influences bottom current generation and intensity. Two key controls on contourite drift formation are identified: sediment influx and bottom current velocity. Sea level directly influences the sediment influx to a basin and, therefore, the contourite response fits nicely into the downslope sequence stratigraphy model. Bottom current velocity variations in response to sea level are more complex, and two key controls are identified: (1) oceanic gateways can effectively constrict and accelerate water masses and are therefore closely associated with CDS evolution; fluctuating sea level will affect the water exchange through a gateway; (2) changing rates of bottom-water generation: some water masses appear more vigorous during periods of lowstand, whereas others appear more sluggish. In order to accommodate this variation, two new sequence stratigraphy models are herein presented, comprising both downslope and alongslope processes. The first model reveals a CDS where bottom current activity is markedly more vigorous during times of sea level highstand, whereas the second model indicates margin evolution where bottom-water currents are most vigorous during times of sea level lowstand. It is recognised that there are additional controlling factors linked to sea level variation which can significantly modify the distribution and development of contourite elements.     

海上无动力船舶漂移轨迹模型及其在“桑吉”油轮漂移模拟中的应用

无动力或破损的船舶在海上自由漂移对海上的各项生产活动是一个巨大的危险。通过对海上漂浮的船舶进行受力分析,考虑船舶的外形特征及漂浮状态,建立了海上船舶漂移轨迹模型,对船舶海面以上与以下侧向投影面积之比(面积比)、风拖曳系数、流拖曳系数等参数均进行了敏感性分析,并针对2018年1月6日爆燃的"桑吉"油轮漂移轨迹开展了模拟应用。结果表明该模型针对不同类型海上船舶的漂移轨迹有一定合理的模拟能力,船舶面积比是准确模拟漂移轨迹的一个重要参数,同时,该模型对风拖曳系数、流拖曳系数较为敏感。针对"桑吉"油轮的模拟,科氏力的作用不可忽视,考虑科氏力作用后漂移轨迹的模拟效果得到了很好的改善。     

Weak dependence of the SWAN wave model on hydrodynamic properties of sea bottom

The third generation of the SWAN wave model is modified by the incorporation of new resistance laws for hydrodynamically rough, incompletely rough (smoothly rough), and smooth underlying surfaces. A modified model is used to determine the functional dependences of wave parameters (such as the dimensionless energy of waves and the dimensionless spectral peak frequency) on a dimensionless fetch. The results of calculations are compared to the experimental data obtained in Lake George (northeastern Australia), which has a nearly constant depth and extended, nearly rectilinear segments of coast. The SWAN model is shown to depend weakly on hydrodynamic properties of the sea bottom: distinctions arising from changes in hydrodynamic properties of the sea bottom are smaller than the variances of experimental estimates.     

由正入射遥测海底介质参数方法初探

通过数值模拟计算发现，对于分层有吸收海底，在层厚已知的条件下，除最下面的介质以外．有可能利用垂直入射的脉冲声波遥测各层的密度、声速与吸收系数。此法的要点是，根据入射波和层参数的假设值算得反射信号，与实际反射信号比较；然后改变参数再作计算，直到误差最小为止．此时对应的层参数即为介质参数值实际的估计值。指出根据这种方法有可能实现以自适应方法遥测分层海底的介质参数。     

混凝土联锁排应用于海底电缆防护稳定性研究

海底电缆穿越底质坚硬海床时,覆盖混凝土联锁排可以有效保护海缆。根据国网舟山500 kV海底输电电缆所在海域实测水文数据,采用力学平衡公式和数值模拟两种计算方法,研究混凝土块在极端水流作用下的在位稳定性。基于推导出的力学平衡公式,对其进行函数分析后发现,当混凝土块底边固定时,存在一个极值高度,此时铺设在海床的混凝土块最为稳定,可以抵挡的水流流速最大。通过数值模拟,研究了混凝土联锁排在水流作用下的三维流态特征,对不同形状混凝土块的受力情况进行比较后发现,当混凝土块边缘为圆角时,可以改变边缘周边的水流结构,总体上加强混凝土块的稳定性。经计算,尽管国网舟山500 kV海底输电电缆所在的灰鳖洋海域潮流流速较大,但常规长、宽、高为0.4 m×0.4 m×0.3 m的块体组成的混凝土联锁排可以抵抗水流的冲击,保护海底电缆。     

珠江河口盐度和输运过程对未来海平面上升的响应

研究海平面上升对河口的影响情况有助于了解输运过程的变化,基于21世纪海平面上升预测研究(陈长霖,2012;张吉,2014),本文选取珠江河口这一径优型与潮优型并存的河口为研究区域,利用数值模拟的方法,研究其在未来海平面上升后可能出现的响应。结果表明,河口的平均盐度、咸潮上溯距离和层化强度都将随着海平面的上升而增加,这些因素的变化有着明显的季节性。伶仃洋平均盐度在4月和10月增加更多;伶仃洋枯水期咸潮上溯距离的增量大于丰水期,磨刀门则相反;伶仃洋丰水期层化强度及其增量都要大于枯水期。海平面上升后的输运过程响应结果显示:(1) 垂向输运时间将增加,虽然海平面上升带来的潮差潮流的增强将加强垂向混合,但是层化的加强会削弱垂向交换。垂向输运时间的增加是由于层化的加强,层化加强抑制了潮汐变化带来的影响,表层水更难交换到底层; (2) 南北向河口环流将加强,表层余流向海加强,底层余流向陆加强,南北向余流整体向海减小。造成这些现象的主要原因是海平面上升后水深增加带来的河道比降的减小和压力梯度力的改变。     

A numerical study of sea level and current responses to Hurricane Frederic using a coastal ocean model for the Gulf of Mexico

A three-dimensional, nonlinear, primitive equation ocean general circulation model is used to study the response of the Gulf of Mexico to Hurricane Frederic. The model has free surface dynamics and a second order turbulence closure scheme for the mixed layer. Realistic coastlines, bottom topography and open boundary conditions are used in the study. The model has a vertical sigma coordinate with 18 levels, and a horizontal resolution of 0.2°×0.2° for the entire Gulf. The study focuses on hurricane generated sea level, current, and coastally trapped wave (CTW) responses of the Gulf. Time series of sea levels from U.S. coastal tide gauge stations and the numerical model simulation of sea levels and currents on the shelf are used to study sea level, current and CTW responses. Both model sea levels and observations from tide gauge stations show a westward progression of the surge as a CTW response. The results of the study of sea levels and currents indicate that CTW propagate to the west with phase speeds of 7–10 m s^–1. There is also a strong nonlinear interaction between the Loop Current and hurricane induced currents. The surface current attains a maximum of 200 cm s^–1 in the eastern Gulf. The model surface elevation at several locations is compared with tide gauge data. The current meter data at three moorings are also compared with the model currents. The model simulations show good agreement with observed data for the hurricane induced coastally trapped wave, storm surge, and current distribution in the Gulf.     

Pipeline breakout from sea floor under wave action

The vertical stability of a submarine pipeline laid half-buried on the sea floor under wave action is studied. As the wave-induced lifting force acts to detach the pipe from the sea floor, mud suction resistance will be developing at pipe-soil interface, acting to hold the pipe in place. This couples the pipe equilibrium with the seabed response which is modelled as a poroelastic media, following the formulation of Biot. Conditions for pipe detachment or breakout from the sea floor are investigated for typical seawave, pipe, and seabed parameters. A general power law will describe the slow quasistatic breakout of the pipe. In the case when the forcing wave period is much shorter than the quasistatic breakout time, the response function of the coupled pipe-seabed system will involve weak nonlinear terms of higher harmonics. The possibilities for resonating the system in such case are examined by including the inertia of the pipe in the analysis.     

青岛海湾大桥对胶州湾潮汐、潮流及余流的影响预测——Ⅲ.预测方法及预测结果

在潮流数值模型中,采取了如下办法表示桥墩:桥墩造成的截水面积通过减小水深来实现,桥墩的阻尼通过增加底摩擦实现。根据以上水深处理和水力学实验给出的阻尼系数,在胶州湾及邻近海域计算潮流场基础上,预测了青岛海湾大桥对胶州湾潮汐、潮流及余流的影响。     

基于Hough变换原理的海冰厚度识别方法

作为主要海冰参数之一的海冰厚度对海冰灾害评估和极地船舶与冰区海洋工程结构设计具有重要意义。采用船侧视频图像对海冰厚度进行自动识别是提取海冰参数的重要方式。本文采用基于Hough变换的机器视觉方法对海冰翻转过程中的表面轮廓线进行识别,从而自动获取海冰厚度参数。根据海冰图像特征制定了图像边缘识别-近似线段识别-海冰轮廓线段组识别的计算流程。在线段组识别过程中,根据海冰的几何特征建立了由夹角、长度及间距参数相关联的3个识别参数所组成的判断条件。为验证方法的可靠性,将该方法用于“雪龙”号第八次北极科考的走航实测数据中,结果表明,3个识别参数均具有最优阈值。当低于最优值时提高阈值可增加有效识别率;而高于最优值时提高阈值则会导致误判率增大,采用最优阈值可使冰厚识别率达到90%以上。因此,采用基于Hough变换的冰厚识别方法可实现对海冰厚度的实时监测。     

自主水下航行器离散反馈避碰设计及仿真

为了使自主水下航行器(AUV)避碰仿真更接近实际情况,在离散时间系统中考虑海流作用,设计了AUV反馈避碰算法.针对海底探测AUV的运行特点,考虑海流作用,建立AUV垂直平面的状态空间方程.在每一个离散时间节点.利用障碍物高度信息,计算下一时刻AUV的深度目标值.然后利用反馈控制方法对其响应,在仿真时间内不断循环完成避碰仿真.对不同流场下不同高度的矩形障碍物,进行了避碰仿真.仿真结果证明了系统的可行性和合理性.     

近海海洋对热带风暴线性响应的底坡度和底摩擦效应

一个简单的二维线性模式用于考查近海海洋对过境热带风暴的动力响应过程中的底坡度和底摩擦效应。选择了自东向西和向西后转向的两个模式风暴路径。数值试验结果表明，海底坡度与风暴引起的水位波动、风暴中心后部的尾流以及路径右侧后方面的涡旋密切相关。而底摩察是阻尼风暴潮和风暴流持续增长的重要因子。结果还表明，近海对风暴的强响应偏向于风暴轨迹的右侧，这与Ｃｈａｎｇ和Ａｎｔｈｅｓ（１９７８）对深海响应的研究结论是一