秦岭构造带对陕西气候和生态环境的控制作用

通过分析地质构造的生态学涵义,指出构造运动既是地球大循环的动力起源,也是生态环境生物小循环的物质基础与空间载体,揭示了地质构造影响生态环境的一般规律,进而得出地质构造是区域生态环境形成机制的决定性因素。基于波浪镶嵌构造学说所揭示的构造运动规律,探讨秦岭构造带对陕西气候和生态环境的控制作用。结果表明:秦岭在构造上的特殊位置导致了秦岭地区构造运动显著而复杂,从而形成中国大陆中东部气候的南北分界线,形成陕西特殊的天气系统、气候综合效应,进而在秦岭形成区成为联系广泛、成分极为复杂的生物多样性中心;构造运动规律与生态环境区域差异性之间存在一定耦合规律,波浪镶嵌构造学说揭示的构造运动规律成为揭示区域生态环境分异规律和生态环境问题形成机制的有效途径。     

Rainfall effect on wind waves and the turbulence beneath air-sea interface

Rainfall effects on wind waves and turbulence are investigated through the laboratory experiments in a large wind-wave tank. It is found that the wind waves are damped as a whole at low wind speeds, but are enhanced at high wind speeds. This dual effect of rain on the wind waves increases with the increase of rain rate, while the influence of rainfall-area length is not observable. At the low wind speed, the corresponding turbulence in terms of the turbulent kinetic energy （TKE） dissipation rate is significantly enhanced by rain- fall as the waves are damped severely. At the high wind speed, the augment of the TKE dissipation rate is suppressed while the wind waves are enhanced simultaneously. In the field, however, rainfall usually hin- ders the development of waves. In order to explain this contradiction of rainfall effect on waves, a possibility about energy transfer from turbulence to waves in case of the spectral peak of waves overlapping the inertial subrange of turbulence is assumed. It can be applied to interpret the damping phenomenon of gas trans- fer velocity in the laboratory experiments, and the variation of the TKE dissipation rates near sea surface compared with the law of wall.     

The physical simulation of wave groups and their variations in a wave flume

The physical simulation method of wave groups in a wave flume is proposed and verified by the exper- iments. The experimental results demonstrate that random waves with desired wave groupiness, which simultaneously includes the wave group height and length, can be generated satisfactorily at the specified position in a wave flume using the proposed method. Furthermore, the transformation properties of the wave groupiness along the fiat-bottomed wave flume are investigated based on the physically simulated waves. Associated proposals with the physical simulation of wave groups are given.     

风暴浪作用下沙质岸滩稳定机制物理模型试验研究

近年来风暴潮等海洋灾害日趋频发,沙质海岸侵蚀问题也愈发突出,沙滩稳定防护显得日益重要。为研究风暴浪作用下沙质岸滩稳定机制问题,设计了一系列的水槽试验,对风暴浪作用下沙质岸滩的稳定机制和演变过程进行了录像观察和研究分析。试验中采用图像处理技术,根据水和岸滩床面的像素值差异,对岸滩整体剖面进行实时动态提取;对比和分析了不同入射波高、波周期、水深、岸滩初始坡度以及波高连续变化下沙质岸滩演变过程。试验结果表明,岸滩稳定与岸滩初始坡度和沙坝的发育直接相关,而波参数主要影响岸滩扰动幅度和沙坝以及前滩侵蚀边界的位置变化。当入射波高连续变化时,沙坝迅速响应并向离岸迁移。岸滩变化幅值与入射波能流存在明显正相关关系,波能流越大对岸滩稳定性的危害越大。而水位升高会增强前滩向岸侵蚀风险。此外,在本试验尺度下,前滩以侵蚀为主。当岸滩初始坡度小于稳定坡度且波陡较小时,即Dean参数Ω''较小时,岸滩才发生明显的前滩淤积,这对于试验尺度下岸滩恢复工况研究至关重要。具体来说,当岸滩整体坡度为1:10且前滩坡度达到1:5~1:2.5时,岸滩稳定性最好,岸滩形态最接近最终平衡剖面,岸滩趋于稳定的时间最短。     

空心块体水沙动力及泥沙淤积特性研究

空心块体具有良好的阻水和促淤功能,近年来被广泛用于生态修复工程。本文结合水槽试验及Flow-3D数值模拟,分析了开敞型和半封闭型空心块体的阻水效应和泥沙淤积特性。结果表明:空心块体的开孔率对内部水流流速、紊动强度起主导作用,开孔率较小的半开敞型空心块体减速、制紊效果更强;开敞型和半封闭型空心块体近底层悬沙浓度分别增大56%和75%,两者均有利于促进泥沙在块体内部淤积,近底层水流紊动越强,泥沙淤积形态差异越大;空心块体所营造的低流速、泥沙微淤、内外连通的水沙环境是大型底栖生物的生境需求,半封闭型空心块体内部的低紊动水流结构更有利于大型底栖生物的栖息、繁衍。     

砾石堤坝和多孔方型鱼礁消浪护滩的试验研究——以北戴河西海滩为例

本文通过物理模型试验,研究了砾石堤坝、多孔方型鱼礁、堤坝+鱼礁等不同防护措施对岸滩的保护作用。通过测量不同防护措施的波浪透射系数、输沙率、水下坡度角及床面地形变化,并与无防护措施的工况进行对比,结果发现：不同试验条件下堤坝+鱼礁工况的透射系数仅为0.21～0.36,对波浪具有显著的消减作用;同一水位不同防护措施下的输沙率由大变小依次为：堤坝、堤坝+鱼礁、无工程、鱼礁;堤坝迎浪面的水下坡度角随极限波高呈现先增大、后减小的趋势,堤坝工况的水下坡度角约是堤坝+鱼礁工况的2～4倍;对于近岸的地形恢复,堤坝+鱼礁工况的效果比较明显,且对岸滩附近的侵蚀较少。堤坝+鱼礁的防护措施可明显减小波浪的透射系数,增加向岸输沙率,对恢复近岸地形、保护岸滩有显著作用。     

基于图像测速的波浪破碎两相速度场测量方案探讨

针对波浪破碎试验中气泡区速度与水体速度无法同时测量的难题,基于实验室条件,搭建了粒子图像测速（PIV）和气泡图像测速（BIV）系统,采用声学多普勒测速仪（ADV）对PIV测量精度和不同场景下BIV测量精度进行了细致的验证,并设计多种试验方案以期实现BIV与PIV的同步耦合测量。试验结果表明,7W激光+后置灯的优化照明方案,其耦合测量的气泡区速度代表参数与标准BIV照明方案的结果误差小于5%,且耦合测量的气泡区下方水质点的速度曲线与标准PIV测量结果吻合,表明该改进方案满足PIV与BIV耦合测量的条件。本文实现的PIV与BIV耦合测量有利于优化测量和分析工作,减小破碎波浪重复生成的影响,有利于提高测量精度,为大范围波浪破碎速度场的快速测量提供了新的方案。     

半球形多向波聚合波道振荡水柱气室优化设计

为了解决振动水柱式波浪能转换装置收集多向波浪问题,本文设计了半球形多向聚合波道振荡水柱气室结构,以适合远海单点波浪能采集和发电。在规则波正向入射条件下,基于流体仿真分析软件(FLUENT)、流体动力学连续性假设和粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程(Navier-Stokes方程)建立半球形振荡气室和三维数值波浪水槽模型。仿真结果表明:增设气室后壁,合理设计波道开口角度实现多向迎波捕获波浪能,优化前壁形状可降低波浪触底反射带来的能量耗散,同时提高了气室内空气压强和出气口速度,有效提升波浪能俘获效率,为后续发电的二次能量转换提供高效的空气动力。     

波浪作用下基于不同负载的一种Savonius型水轮机捕能性能研究

通过水轮机捕能是当前常用的海洋能利用方式之一。桨叶作为水轮机关键部件,其性能一直是研究的重点。针对目前波浪条件下带负载运转的Savonius型水轮机相关捕能性能研究较少的情况,采用数值仿真方法,结合对应工况条件的物理试验,研究了一种Savonius型水轮机在不同波浪环境下带负载运转的捕能性能。采用Star CCM+仿真软件,建立数值波浪水池,设置环境参数,划分网格调整变量进行水轮机运转的水动力模型数值研究。在造波试验水池中利用推板改变波浪周期与波高,进行水轮机运转的物理试验。采集在不同负载下水轮机桨叶的转速和扭矩数据,计算并分析功率等参数,总结变化趋势,评价捕能效果。研究发现水轮机在1.6 s的波浪周期条件下,桨叶承受1.5 N·m负载时达到最佳捕能效果,其功率为23 W。为实际海域中水轮机桨叶的结构设计研究和相关工程应用提供参考。     

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核.考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性.结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升.波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大.垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区.此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大.