随机速度边界下的陡槽滚波运动特性

针对随机速度边界和陡槽滚波空间演化特性有何关联的科学问题,根据随机过程理论,提出陡槽滚波由于上游水力扰动,于入口边界产生随机速度的物理思想,并以高斯白噪声来表示随机速度。根据k-ω湍流模型,建立二维陡槽滚波的随机边界数学模型。研究表明,陡槽滚波波形在高/低雷诺数工况下的纳什系数均值分别为0.890和0.897,皆处于(0.75,1],表示模拟效果非常好。获得随机速度标准差与滚波无量纲物理参数的关系,即随机速度标准差分别与弗劳德数Fr和lgRe满足正线性关系,滚波最小通道长度与随机速度标准差满足负线性关系。二维陡槽滚波的随机边界数学模型能够较好地表达陡槽滚波的运动特性,为研究陡槽滚波提供新的参考。

海上浮式风机纵摇及其抑制研究进展

梳理了风浪荷载单独作用与联合作用下浮式风机的纵摇响应规律,总结了调谐质量阻尼器、波浪能利用装置以及船用减摇设备等外加阻尼装置对浮式风机的减摇效果,揭示了不同减摇措施的作用机理,指出了各装置未来在控制策略、布置形式以及应用对象等研究中仍需要解决的问题。

跨海桥梁基础波浪力断面对比与研究

桥梁基础在波浪环境下的施工安全关乎桥梁建设的稳定性,需要给予足够的重视。利用数值模拟手段,基于改进的RNG κ-ε模型,采用VOF法模拟自由液面,在保持相同迎浪断面的情况下,建立圆形、圆端形、矩形和多边形4种不同断面形式桥梁基础受波浪作用的三维数值模型,对比其受力差异,并结合流场数据加以分析。结果表明:相同波浪条件下4种不同断面形式的结构所受到水平波浪力中以圆形结构为最小,矩形结构为最大,其总水平波浪力幅值较圆形结构增大10%左右;桥梁基础结构在波浪的作用下,基础周围会受到绕流作用,使得结构部分位置处的流速增大并出现流速集中现象,在矩形结构周围这一现象最为突出,多边形结构的情况与之类似,而圆形及圆端形结构的流速集中现象则相对较弱;按规范计算得到的等效圆柱波浪力相较于数值模拟结果大23%~29%,按等效方柱计算得到的波浪力相较于数值模拟结果大10%~13%。从工程设计的角度看,采用圆弧形的结构设计有助于减小波浪荷载和削弱桥梁基础局部的流速增大与流速集中现象。

强涌潮水流条件下直立圆柱体的涌潮作用力试验研究

为厘清强涌潮河口直立式圆柱体受到的涌潮作用力与涌潮水流条件、圆柱直径的关系,通过涌潮水槽模型试验研究了三种直径直立圆柱在不同潮前水深、涌潮高度条件下的涌潮作用力。结果表明,强涌潮的涌潮作用力为直立圆柱受到冲击力叠加该时刻的水流绕流阻力、圆柱前后水位压差力。通过数据回归分析,得到了一个无量纲涌潮作用力计算公式。该公式表明,涌潮作用力分析计算除了要考虑涌潮高度、圆柱直径外,潮前水深也是关键因素,且涌潮作用力与圆柱直径之间存在显著的非线性关系。

浪流作用下多船并排锚泊运动量和锚泊力研究

采用物理模型试验方法,对波浪和水流单独和联合作用下,小尺度渔船单船艏艉锚泊和多船并排艏艉锚泊时各船的运动量和锚泊力进行研究,重点分析了90°横浪横流和0°顺浪顺流两个方向锚泊时流对各船运动量和锚泊力的影响程度。研究结果表明,90°浪流作用时单船的横摇角度同纯浪作用时相比减少30%~60%,多船时各船横摇角度减少10%~70%;当波浪入射周期接近单船横摇周期时,浪流作用下单船的锚泊力约为纯浪作用结果的1.11倍,且随着波浪入射周期的继续增大,流的影响明显增大。0°浪流作用时,并排锚泊渔船各船的纵摇角度同纯浪作用相比减少20%~40%,而各船锚泊力则为纯浪作用结果的1.6~10.0倍,但仍小于90°浪流作用时的对应值。因此,当港内存在浪流同向作用时,建议尽量以0°方向并排锚泊渔船;如果确需90°方向锚泊时,应加强迎浪侧和背浪侧渔船的缆绳强度并关注背浪侧渔船的运动量情况。

卷积神经网络在涌潮冲击桩柱体水动力特性上的应用研究

涌潮作为一种特殊的强非线性间断流,携带着巨大的能量。在涌潮区域,桥墩等桩柱式建筑物受到的涌潮冲击作用力巨大,可能对涉水结构造成严重破坏。因此,迅速预测和评估涌潮对桩柱体的冲击作用是预防涌潮破坏工作中的关键部分,对海洋工程建设和人民生命财产安全至关重要。以一维卷积神经网络(CONV1D)为基础,搭建涌潮对桩柱体冲击过程水动力特性演变的预测模型。同时利用开源CFD软件OpenFOAM和Wave2Foam库,建立涌潮数值水槽,通过数值计算得到涌潮对桩柱体冲击的水动力特性数据集。以多测点的水位时间序列为输入样本,完成涌潮对桩柱体冲击载荷的预测和评估。结果表明:该预测模型得到的涌潮对桩柱体的冲击载荷和数值计算结果基本吻合。在最大的误差平方和情况下,模型评估涌潮对桩柱体冲击作用的最大载荷误差平均值为3.69%,最大荷载到达时间误差平均值仅为2.11%;且只需要较少的计算资源便可获得较高的计算效率,能提前准确获取桩柱体所受载荷信息。通过卷积神经网络预测,可以评估灾害发生的可能性,提前采取防御措施,减少灾害造成的损失。

部分反射直墙前二维物体的绕射和辐射问题

基于映像理论将部分反射直墙前物体的散射问题,等效于开敞水域中原物体的散射和关于直墙映像体散射的线性叠加进行求解。采用高阶边界元方法建立了部分反射直墙前二维任意形状物体波浪绕射和辐射问题的数值分析模型,通过与已发表的海底方箱和淹没圆柱结果的对比验证了数值模型的准确性。应用该模型研究了直墙反射系数幅值及相位、方箱与墙间距离等参数对水面方箱上波浪激振力、附加质量和辐射阻尼的影响。结果表明:直墙反射系数幅值越大,波浪激振力、附加质量和辐射阻尼的波动越大,附加质量在一些频率下出现负值;相位角的变化会改变波浪激振力、附加质量和辐射阻尼曲线的偏移,在低频区对升沉附加质量有显著影响;方箱距离直墙越远,方箱上的波浪激振力、附加质量和辐射阻尼随波数振荡的频率越快,峰值频率向低频侧移动。

考虑倾斜角度的T梁与箱梁极端波浪作用受力研究

近海桥梁所处海洋环境极为复杂,极易受到海啸及风暴潮等极端波浪灾害的威胁,倾斜的T形与箱形桥梁上部结构不同的截面形式在极端波浪作用下所受波浪力存在较大差异,应对其进一步研究比较并区别考虑。通过数值模拟方法以孤立波模拟海啸极端波浪,开展极端波浪对倾斜桥面结构影响的数值研究。首先对数值水槽中的波浪模拟效果及波浪力计算准确性进行验证,在此基础上,研究不同淹没深度、波高及桥面倾斜角度变化条件下T梁和箱梁所受波浪力特点,并比较两者受力差别。研究结果表明:总体上,波高越高两种主梁所受竖向力、水平力和弯矩越大;T梁与箱梁水平力峰值和竖向力峰值往往发生在负倾角范围;T梁与箱梁处于未淹没状态时受波浪砰击影响,所受波浪力主要由砰击力主导,T梁受梁肋间空区影响,发生多次砰击作用,箱梁发生单次砰击作用,主梁截面形式对主梁所受波浪力影响显著。半淹没情况下,在相同波高和倾角条件下T梁竖向力和水平力峰值均大于箱梁竖向力和水平力峰值,由负倾角所主导。全淹没情况下,主梁主要受极端波浪动水压力作用,T梁与箱梁空区被水体填满,两者腹板几何形状对竖向动水压力影响较小,而对水平力峰值有显著影响。

随机风-浪联合传播数值模拟及分析

海洋风、浪往往同时传播,同步传播过程中风、浪之间具有显著的相互耦合作用。针对海洋脉动风和随机波浪同步传播的数值仿真需求,基于程序开发平台MATLAB和计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件平台Fluent,提出了一种随机风场和随机波浪联合传播数值模拟方法,基于该数值方法构建了随机风-浪联合传播数值水槽,并对该数值水槽单独随机风、单独随机波浪以及随机风-浪联合传播的数值模拟效果进行了试算和验证分析。结果显示该水槽数值模拟脉动风速与对应理论计算风速相吻合,水槽数值模拟随机波浪与对应理论计算随机波浪相吻合,水槽风-浪联合数值模拟显示了风、浪之间显著耦合作用效应。建立的随机风-浪联合数值水槽在随机风和随机波浪同步传播的数值仿真上具备可靠性及可应用性。研究内容为海上风、浪环境要素耦合效应研究及海洋工程结构风-浪联合作用相关研究提供了平台基础。

面板波浪力神经网络预测模型比较及优化研究

针对面板波浪力预测问题,利用Matlab软件开展了神经网络预测模型的比较和优化。首先,选取GA-BP、SSA-BP、PSO-RBF和WOA-RBF四种神经网络模型分别进行波浪力预测,通过平均绝对误差和均方根误差等评价指标,分析得到WOA-RBF神经网络预测模型表现较优。其次,针对WOA-RBF模型在应用中存在的问题,提出一种优化的IWOA-RBF神经网络,并进行该神经网络的效果研究,表明IWOA-RBF模型预测误差小,精度更准。最后,分析IWOA-RBF神经网络的主要影响因素,给出应用建议。研究成果将对面板波浪力预测技术有所提升,可为船舶和海岸工程设计、施工及防护等工作提供参考。

杭州湾天文潮-风暴潮预报模型研究及应用

杭州湾作为世界上三大强潮海湾之一,海况极其恶劣,建立ZIHE2D模型进行杭州湾天文潮-风暴潮潮位预报,对桥梁结构设计、施工具有重大意义。依据历年水文监测数据和杭州湾最新冲淤地形,对潮位模型进行修正,并与2018年实测潮位对比分析,保证杭州湾潮位预报准确性。研究结果表明,基于该修正数值模型能够预报杭州湾工程区域不同重现期潮位,得到了100 a一遇高潮位为6.17 m,低潮位为-3.62 m,潮差为9.79 m,为杭州湾海域潮位预报提供了一种有效计算方法,重现期的平均高潮位对桥梁安全和建造成本影响较大,为杭州湾跨海铁路大桥工程基础设计提供参考。

波浪作用下小尺度多船并排锚泊横摇运动试验研究

采用物理模型试验方法研究双船、三船和四船并排锚泊时各船的运动量,并与单船艏艉锚泊情况进行了对比,重点分析了横浪作用下各船的横摇运动规律,探究了波浪周期和并排锚泊船数对多船并排锚泊时横摇运动的影响。结果表明,多船并排锚泊时,横摇运动响应随着波浪周期的增大而逐渐减小。双船并排锚泊时,横摇运动响应同单船相比减少了40%~50%;三船和四船并排锚泊时,横摇运动响应同单船相比减少50%~60%,四船并排锚泊时横摇运动响应减小的幅度与三船并排时相比差别不大。

生态海堤多级平台消浪特性及越浪量计算

针对生态海堤多级平台消浪设计依据缺乏、人工经验设计效率低且难以最大限度发挥消浪效能的问题,通过构建耦合高精度水气界面捕捉算法的三维数学模型,开展了生态海堤多级平台消浪特性及越浪量计算研究,并基于多级堤身结构(平台宽度、平台高度、堤防高度)不同组合下的越浪规律,提出了生态海堤越浪量计算公式。结果表明:受多级平台逐级抬高影响,堤身上覆水厚度变小造成波浪逐层浅化发生连续破碎耗能,同时多级平台迎水面分级阻挡浅化波传播,造成波浪逐级反射衰减;多级平台宽度和高度共同控制着堤顶越浪,越浪量相同情况下迎水面横向堤身宽度与纵向堤身高度变化值存在定量互换关系。

近坝岸坡滑坡涌浪演化规律及工程影响模拟

近坝库区滑坡涌浪严重威胁大坝及周边人员安全,明晰库区涌浪演化规律是该类型灾害预警的首要任务。以黄河上游某水电站工程大坝左岸4号倾倒变形体为对象,建立了基于Flow-3D Hydro原型尺度三维数值模型,分析了4号倾倒变形体不同部位原位失稳时的涌浪特性及传播演化特性。结果表明:近坝岸坡4号倾倒变形体失稳产生的涌浪类型为弱非线性震荡波,这种波型经过演化后往往次生波表现出最大波高、最大爬高等特征;如果将4号倾倒变形体分不同部位原位失稳,多宗龙洼沟侧整体下滑对坝前及坝下游建筑物无影响,可不做工程处理;但黄河侧原位整体下滑时,右坝肩最大浪高14.19 m,左坝肩最大浪高16.40 m,坝前爬坡高程约至3 009.00 m,超过防浪墙顶高程,严重危害面板堆石坝的安全,需要进一步的工程减灾措施。该研究成果可为库区滑坡涌浪灾害预警提供技术支撑。

带翼排桩式防波堤水动力特性研究

带翼排桩式防波堤能够有效沟通港池内外水体、维护水域环境,是一种环境友好型防波堤结构,在海岸工程领域有广阔的应用前景。采用模型试验与数值模拟方法,开展带翼排桩式防波堤的水动力特性研究。通过实验室水槽模型试验,分析翼板宽度Bw与翼板入水深度Hw对防波堤透反射系数及耗散系数的影响,同时基于大涡模拟(LES)建立数值波浪水槽,讨论规则波与防波堤相互作用过程中的桩周涡流、射流场演化过程。结果表明,不同的翼板宽度、入水深度设置会对防波堤透反射系数产生影响,且不同波长的规则波受翼板影响会呈现出不同的耗散结果;带翼排桩能够有效扰乱规则波的流场,形成不同形态的涡流,耗散波浪能量;当翼板入水深度较大时,翼下射流沿桩底水平发展,且强度大、控制距离远,该射流或成为桩底附近泥沙运动的重要动力。

基于弯矩修正法的浅水区海底直铺管道允许悬跨长度计算

海底管道悬空问题是管道工程建设中经常遇到的重要问题,当管道的悬跨长度达到一定值时,管道较容易失稳,而悬空油气管道失稳破坏导致的后果往往非常严重,因此需要对悬空的海底管道进行定期的维护和处理,但由于海上作业难度大,针对悬空管道的治理成本非常高,因此可考虑对处于悬空但在安全允许悬空范围内的管道暂时不进行加固,此时就需要计算管道的允许悬跨长度,为管道的治理提供依据。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道的悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。本文考虑浅水区波浪的非线性影响,推导得到浅水区波浪场内任意一水质点的水平流速和竖向流速计算公式,并根据该公式和Morison方程,进一步建立了管道悬跨水动力载荷的表达式,最后基于弯矩修正法,提出浅水区平铺海底管道允许悬跨长度计算公式。根据工程实例,结合本文研究,计算得到该工程所在海区平铺管道允许悬跨长度。

下陡上缓混合式海堤上不规则波爬高研究

波浪爬高是影响海堤堤顶高程的一个重要因素,直接影响工程投资。下部为陡墙、上部为斜坡、中间带平台的海堤为我国沿海常见的一种海堤断面型式,为研究此种海堤断面型式上不规则波爬高规律,通过物理模型试验观测得到不同试验条件下波浪爬高,并根据海堤下部陡墙坡度、上部斜坡坡度、平台宽度与平台高度、波浪要素对波浪爬高的影响分析,拟合了不规则波爬高计算公式。结果表明,陡墙坡度为0的海堤的波浪爬高值比0.5小;当波陡在0.03~0.05之间时,随着海堤上部坡度变缓,大部分波浪爬高逐渐减小;波浪爬高随着平台宽度的增加而减小;波浪爬高随着海堤平台位置的降低而增大;波浪爬高随着波陡的增加呈现先增大后减小的趋势;拟合公式可反映下部为陡墙、中间为平台、上部为斜坡的混合式海堤断面上波浪爬高规律。

粤港澳大湾区防风暴潮生态海堤核心技术研究及应用

在大湾区灵山岛北岸防风暴潮生态海堤工程的设计中,为解决城市防洪潮和滨海景观生态海堤亲水性的矛盾,在技术理念上由传统单一的防潮海堤向多元化滨海景观生态海堤转变,创新提出了多级消浪平台技术和滨海景观带迎水面系统排水技术来解决消浪与排水的问题,在实践中提出“横向换纵向”“外水外排,内水内排”的理念,打破传统海堤对海浪的“挡”和“抗”硬对硬模式,采用横向多级消浪平台技术消减越浪,并设置多级排水系统实现越浪自排,对迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性衔接,可有效降低纵向堤顶高程以破解“堤防围城”的难题,实现海堤成为滨海生态景观的目的。研究成果已应用在该项目中,经过数次风暴潮检验证明达到了预期效果,灵山岛在韧性城市方面尤其是生态堤设计上,以宽度换高度,既能防洪同时又满足亲水、休闲、景观要求,为岭南地区的生态建设乃至中国滨海河口地区同类型建设提供了经验和参考。

狭窄库区滑坡涌浪特征分析及工程影响模型试验研究

为研究狭窄库区不同位置、体积滑坡涌浪对浪高及工程安全的影响,特以羊曲水电站库区H1滑坡体和1#变形体为例,建立1∶200的水工物理模型,研究失稳物质在体积100万、200万及500万m^(3)时产生的库区涌浪特征,进一步分析不同工况涌浪对特大桥及坝体稳定性的影响。结果表明:库区滑坡涌浪波类型为线性波,滑坡发生地和建筑物前的首浪高度均和失稳物质体积成正比;滑坡位置对工程的危害不一定和距离成反比,还和滑坡所处的水域条件相关;H1滑坡体或者1#变形体失稳产生的涌浪对特大桥无影响,但H1滑坡体体积大于200万m^(3)或1#变形体体积大于500万m^(3)时,会在溢洪道处漫坝。研究结果可为羊曲水电站库区滑坡涌浪灾害预防及应急调控措施制定提供参考。

涌波的基本性质

分析了溃坝波和涌潮等波动的基本特征。水流穿越涌波时,水流流量、动量虽保持守恒,但机械能大量损耗,因此通常所用的SaintVenant方程并不能描述涌波附近的流动。从微观角度看,考虑铅垂流速分量及水平速度不均匀性所引起的色、耗散效应后,涌波波后将产生衰减的高频波,波陡大为增加,因此表面失稳,进而形成漩滚。分析说明,Froude数也是色、耗散效应的比值,决定了涌波的局部形态。数值计算结果与试验值极为接近。由于天然河道形态复杂,进行涌波数值计算时,需对控制方程的源项进行处理,方能对涌波有深入的了解。