颗粒离散单元法动力人工边界设置方法

采用颗粒离散单元法进行动力计算时,人工截断边界上需设置吸收边界条件,以防止波的反射。鉴于颗粒离散单元数值计算模型的人工边界上颗粒单元半径大小不一、边界面凸凹不平,在连续介质的黏性、黏弹性、自由场边界条件方程基础之上,推导出适用于离散介质的等效方程。在离散介质的黏性边界条件等效方程中引入微调系数,提出比值迭代法以快速确定其最优值,以实现对波的最佳吸收。采用二维颗粒离散单元计算软件PFC2D,分别建立黏性、黏弹性、自由场边界条件相关数值分析模型,探讨颗粒分布模式对黏性边界上颗粒单元半径、速度分布及比值迭代过程的影响;采用外源波动算例及经典Lamb问题算例验证黏弹性边界设置方法的正确性;通过隧洞算例检验提出的自由场边界条件设置方法的正确性。     

自适应锚索锚固岩质边坡地震动力响应分析

强震作用下常规锚索往往会因材料变形能力不足导致应力过载而被拉断,一旦锚索失效将直接危及整个锚固结构的安全。为研究自适应锚索的动力响应规律以及在自适应锚索支护下锚固边坡的动力特性,以新型抗震锚索为原型,设计自适应锚索锚固岩质边坡试验模型,并利用振动台试验系统对试验模型进行加载。试验中采用正弦波、天津波、EI波以及Taft波等4种地震波进行研究,监测锚索的应变和边坡动力响应。结果表明：锚索的轴力和地震波幅值、类型、地震激励频率等因素密切相关;锚固边坡坡面加速度及位移沿边坡高程均有不同程度的放大,相对于无锚索支护边坡,锚固边坡坡面加速度和位移峰值均有减小;自适应锚索随着预设滑移恒阻力的不同,锚索会产生不滑移、瞬间滑移、逐步滑移3种工况,对应的锚索应变时程曲线和锚固边坡动力安全系数时程具有显著不同的特征;自适应锚索滑移工况下,滑体的安全系数虽然有局部减小的阶段,但是锚固结构的安全储备较大,可适应边坡大变形和瞬态冲击荷载的作用。试验结果可为强震区路堑边坡的支护和自适应锚索抗震设计提供一定参考。     

非稳态热传导时层状路面体系的温度响应

利用解析层元法推导温度荷载作用下非稳态热传导时层状路面体系的温度响应解答。从热弹性理论平面应变问题的控制方程出发,借助于Laplace-Fourier积分变换,推导出单层介质及下卧半平面的精确刚度矩阵即解析层元,结合有限层法原理及边界条件,组装并求解总刚度矩阵,得到其在变换域内的解答,最后通过相应的积分逆变换得到物理域内的真实解。由于该法刚度矩阵元素中不含正指数项,计算时不会出现溢出或病态矩阵的现象。编译了相应的计算程序,所得结果与有限元模拟结果吻合较好。在此基础上,对有限深度和半平面两种假定条件下的解答进行对比分析,并分析层状路面体系中位移和温度随时间的变化趋势及沿深度的分布规律。分析表明：温度场具有一定的影响深度,超过此深度,有限深度与半平面理论解答基本一致;温度荷载的影响深度与其强度有关,强度越大,其影响深度越深。     

基于223Ra和224Ra的桑沟湾海底地下水排放通量

海底地下水排放（SGD）是陆地向海洋输送水量和营养物质的重要通道之一,对沿海物质通量及其生物地球化学循环有重要的影响,对生态环境起着不可忽视的作用。本文运用天然放射性同位素223Ra和224Ra示踪估算了我国北方典型养殖基地桑沟湾的海底地下水排放通量。结果表明,海底地下水样尤其是间隙水中Ra活度[224Ra=（968±31）dpm/（100 L）,223Ra=（31.4±4.9）dpm/（100 L）,n=9]远高于表层海水[224Ra=（38.7±2.0）dpm/（100 L）,223Ra=（1.70±0.50）dpm/（100 L）, n=21]。假设稳态条件下,考虑Ra的各源、汇项,利用Ra平衡模型,估算出桑沟湾SGD排放通量为（0.23~1.03）×107 m3/d。潮周期内的观测结果显示,涨潮时,水力梯度较小,SGD排放变弱,落潮时,水力梯度较大,导致了相对较多的SGD排放。在一个潮周期间,基于223Ra和224Ra得到的SGD排放通量平均为0.39×107 m3/d。潮汐动力下的SGD排放平均占总SGD排放的61%,因此桑沟湾沿岸的地下水排放主要受潮汐动力的影响,并对海水组成及海陆间物质交换有显著贡献。     

基于解析解的长江口南港悬沙侧向捕集特征分析

为探讨长江口南港的水动力结构及悬沙侧向输运特征,本文从解析解的角度构建了潮汐河口水沙输运数学模型,并将其应用到长江口南港某横断面上。南港水动力主控于半日潮流,余流主要由陆相径流及本地非线性对流项驱动,悬沙分布上北侧副槽远大于南侧主槽,水沙分布的计算结果与实测结果在结构上基本一致。通过输沙函数进一步分析表明,潮流输沙和余流输沙是南港侧向输沙函数的两个主要部分。南港中强劲径流削弱了涨潮流,增强了落潮流,使得向河槽南侧的涨潮流输沙小于向河槽北侧的落潮流输沙,潮流输沙指向河槽北侧。径流驱动的南港侧向余流在涨潮流方向上为一逆时针环流结构,余流输沙指向河槽北侧。扩散输沙指向南侧主槽,因其总是指向悬沙浓度梯度的负方向。在各输沙因子的综合作用下,南港中大量悬沙捕集于河槽北侧,使得河槽北部底层潮平均含沙量值达到最大值。     

不同结构形式张力腿平台水动力参数比较分析

随着张力腿平台(TLP)在深海油气开发领域的广泛应用,在早期传统式(C-TLP)的基础上衍生出了多种结构形式,其中还有延展式(E-TLP)、最小化深海水面式(MOSES)和海之星式(SeaStar)已具备业界建造运营经验。为了体现TLP各类结构形式的性能特点,服务于工程开发方案中平台构型选择,本文基于三维势流理论频域方法,针对现已建造的4种TLP的水动力性能及相关参数进行了对比研究。首先,在质量惯性、结构刚度相似的条件下,完成了各类型平台的主尺度方案;其次,采用SESAM软件分析计算了各方案设计平台的附加质量、势流阻尼和运动响应幅值算子(RAO);最后的结果对比表明,不同结构形式对张力腿平台的固有周期影响很大,分散立柱形式的C-TLP与E-TLP的垂向运动响应更小。     

辐射沙脊主要水道的演变特征及其水动力机制研究

近四十年来的水下地形资料对比显示：南黄海辐射沙洲区水道普遍存在逐渐向南偏移的趋势（西洋主槽冲深、南延,南翼烂沙洋水道、小庙洪水道向南逼进）。有关辐射沙洲整体南移的原因及机理虽有诸多猜想,但至今没有统一可靠的认识,这种趋势性过程的驱动力成为辐射沙洲区海岸冲淤动态研究及港口建设过程中亟待解决的问题。在恢复黄河北归以来苏北黄河三角洲海岸不同发育阶段的岸线位置和水下地形的基础之上,通过所建立的潮波数学模型,研究了在苏北黄河三角洲不同演变阶段南黄海潮波系统的特征及水动力变化。研究表明,随着岸线后退和水下三角洲的夷平,辐射沙洲地区潮差不断增大;水动力不断加强,而且加强的区域逐渐向南偏移,这种大范围区域性水动力主轴的向南偏移就有可能是导致辐射沙洲整体南移的主导因素之一。     

台风“海马”对吕宋海峡附近暖涡的影响及其动力机制

台风和海洋涡旋相互作用,对台风路径和强度的预报和预警具有重要的意义。本文根据2016年第22号超强台风"海马"登陆前后在吕宋海峡附近海域的水文要素现场观测,结合卫星遥感资料,分析了台风过境前后位于吕宋海峡北部的中尺度暖涡内海洋物理要素的分布及其对台风的响应特征。结果表明,处于台风边缘的暖涡并没有因为台风过境产生的强冷抽吸作用而被削弱;反而因台风边缘产生的较强的负风应力旋度异常,导致此区域上层暖海水辐聚下沉、混合层厚度增加,从而增强了该暖涡。台风过境前后,暖涡内热含量的变化也证实了该涡旋的增强。而离台风中心较近的暖涡,则受到强的正风应力旋度产生的冷抽吸作用而被削弱。此次观测研究丰富了台风和涡旋的相互作用物理机制探索,为台风预测预警提供了现场观测数据支持。     

江苏海岸带盐沼潮滩在小尺度下的沉积变化过程

在小尺度范围内,潮滩沉积的研究一般都是基于几个站位或断面进行短时日的调查和监测来获取数据,或多或少地存在数据的连续性不足等问题。基于此,本文在潮滩地貌典型的江苏平原海岸选取了约160 000 m²的盐沼潮滩作为研究对象,在多年的野外连续观测下,分析了人类围垦活动对盐沼潮滩沉积过程及变化的影响。结果表明：人类围垦活动（如堤坝建设等）对潮滩沉积和盐沼植被覆盖的变化有重要影响。围垦堤坝修建之前,研究区向陆一侧为盐沼植物（现为养殖池）,向海一侧为光滩,岸线形态比较平直。在2006年围垦堤坝修建后,研究区变为“凹岸”型的人工岸线,沉积环境变得更有利于泥沙的淤积。根据2007-2012年对滩面高程的野外观测,在风暴潮的影响下,潮滩最大淤积率高达23 cm/a。盐沼植被在泥沙快速淤积的基础上不断发育生长,盐沼植物覆盖面积不断扩张。同时外部的沙嘴也在不断增长,潮汐风浪侵蚀携带沙嘴外部泥沙进入盐沼滩地,盐沼植物在泥沙的覆盖下,出现萎缩退化,覆盖面积减少,但是对潮滩上的泥沙而言还是不断堆积增厚。柱状样岩芯的粒度垂向剖面特征也记录了盐沼潮滩沉积环境的变化。小尺度下盐沼潮滩沉积表现出的阶段性变化规律,揭示出合理的围垦活动有利于堤坝前的潮滩淤积和盐沼植被的扩张。     

风浪流中半潜式风机系统动力响应特性研究

以三浮筒(Tri-floater)型半潜式风机系统为对象,采用时域方法,考虑垂荡板的黏性阻尼效应,研究系泊缆直径、长度、预张力和布置方式等参数对其在风浪流中动力响应特性的影响规律,提出了一种系泊参数优化方法。在此基础上,根据东海和南海三个不同水深区域百年一遇海洋环境条件,通过调整Tri-floater型浮式基础的吃水和垂荡板等参数,有效地提高了其运动响应周期,减小了其运动响应幅值。同时,根据风机浮式基础运动幅值的设计规范要求,针对三个不同水深区域特点,设计了Tri-floater型浮式基础的系泊系统。计算结果表明,改进后的Tri-floater型半潜式风机系统能满足百年一遇极端环境下的作业要求,适合于东海和南海海洋环境下海上风能资源的开发。