内孤立波作用下缓波形立管动力特性研究

我国南海活跃着大量内孤立波,严重威胁海洋工程作业的安全。本文采用向量式有限元方法分析内孤立波作用下深海缓波形钢悬链立管动力特性,建立考虑触地段土反力和内孤立波载荷的缓波形钢悬链立管动力模型,根据mKdV方程求解内孤立波载荷,基于向量式有限元梁单元编制Fortran计算程序。分析不同入射角内孤立波作用下立管的位移极值、张力及弯矩变化趋势,并比较缓波形立管与简单钢悬链立管在内孤立波作用下的动力特性。结果表明:内孤立波作用下,缓波形钢悬链立管会有较大的位移响应,特别是顶部悬垂段会有较大的水平位移;缓波形立管比简单钢悬链立管有更显著的张力变化幅值,有更加复杂的弯矩变化趋势。

倾斜壁面上液膜流中孤立波及其内部涡的演化特性研究

研究了在重力作用下,二维不可压黏性流体液膜沿倾斜壁面流动时,其上孤立波及其内部涡的演化.采用小参数摄动法与行波变换法,首先推导出了非平整倾斜基底上液膜厚度的零阶和一阶的一般演化方程,然后对该方程进行化简并采用Mathematica进行数值求解.分析结果表明:孤立波波形图中,波前出现了一个毛细波,而毛细波波谷处出现了完全开式涡;通过对流量分析,发现其与孤立波波形具有相同的变化趋势,并且与波速呈正相关,对于双峰与三峰孤立波,前一波峰的流量比靠后的大;随着波速增加到超过某一临界值时,孤立波波峰内将出现涡流,经过计算该临界波速与倾斜角呈正比关系,对于双峰与三峰孤立波,当波速继续增大,靠后的波峰内也将出现涡流;通过分析自由表面的速度分布得出:该涡流的产生是自由表面的垂直速度在波前和波尾的速度梯度与大于波速的水平速度共同作用的结果,波峰多更容易产生涡流;通过分析在动坐标系下得到的迹线图,发现该涡流面积也正比于波速且旋向为顺时针,综合推断得出:旋涡是在孤立波表面处开始形成的,波峰内的流体沿壁面呈滚落状向下运动.

礁坪上单桩在孤立波作用下的受力状况研究

文中介绍了孤立波冲击礁坪上单桩的三维水槽试验和OpenFOAM数值模拟研究。礁体模型坡度为1∶4,直径0.15 m的单桩布置在礁坪上。试验以水深的30%作为入射孤立波的波高,对沿程波面、特定位置处流速以及单桩上波浪冲击荷载进行了采集。选用realizable k-ε湍流模型进行RANS数值模拟,并与物理试验数据进行验证分析。基于试验数据和RANS模拟结果,研究了岛礁地形上孤立波传播的水动力特性及其对礁坪上单桩的作用力,并探讨了不同坡度和入射波高下孤立波对单桩作用力的影响。研究成果对于桩基础选址和防护有一定工程指导意义。

内孤立波作用下FPSO载荷数值分析

针对内孤立波对固定海域中工作浮式生产储油卸油装置(floating production storage and offloading,FPSO)造成的危害,运用数值模拟方法分析FPSO受到内孤立波载荷情况。首先,构建与实验水槽尺寸一致的数值水槽,将FPSO沿吃水方向划分为不同分层的数值模型,研究在不同分层模型的内孤立波波形生成情况;然后,分析不同分层模型模拟的FPSO所受到的内孤立波载荷情况;最后,分析了FPSO周围流场情况。研究结果表明:利用五层模型所模拟的内孤立波与eKdV理论解一致性较好;利用五层网格模型和七层网格模型所获得的FPSO内孤立波载荷与实验结果更接近。综合计算结果一致度和计算成本考虑,认为五层网格数值模型更适用之后的载荷成分分解及理论预报模型研究。

南海内孤立波的演变特性及对结构物的作用力

针对内孤立波引发的高强度流场易影响海洋平台正常工作的问题,本文基于南海北部陆架区获得的高质量的海流和温盐数据,对观测海区内孤立波的演变特征进行了研究。研究结果显示:观测海区内孤立波活动频繁,且具有明显的第一模态下凹型内孤立波特征。内孤立波经过时,在50~100 m以上的上层诱发了较强的西向流速,其大小接近0.44 m/s,在深度超过100 m则为东向补偿流为主,东向补偿流的量值与西向流相比较小。在垂向上,波前的水体向下流动,波后的水体则向上流动,最大垂向流速可达0.2 m/s。内孤立波引起的向下的等温线的起伏达到50 m。此外,基于计算流体力学软件Fluent对观测海区内孤立波进行模拟,并计算内孤立波对桩柱的作用力。结果表明:数值模拟得到的内孤立波与实测内孤立波吻合较好,内孤立波对桩柱的水平作用力和垂向作用力主要受到压差力的影响,且以水平作用力占主导,上层桩柱受力为-60 kN,下层桩柱受力为20 kN。本文研究结果不仅对陆架区内孤立波的特征有进一步的认识,同时对南海内孤立波的预报及对海洋结构物设计等具有一定的指导价值。

南海北部内孤立波影响海域悬浮颗粒物特征变化研究

悬浮颗粒物在“源-汇”沉积体系中扮演着关键角色,而南海常见的动力现象—内孤立波,则被证实是影响悬浮颗粒物分布和沉积过程的重要因素。该项研究于2022年9月在吕宋海峡至东沙群岛海域开展,采用LISST-deep与CTD设备进行同步观测,以研究悬浮颗粒物的粒径及体积浓度分布。通过调查期内的卫星遥感数据,划定了内孤立波的影响范围,并结合海床基观测内孤立波影响悬浮颗粒物分布过程,从动力学的角度揭示了内孤立波对悬浮颗粒物在输运过程中特征变化的影响。研究发现:(1)在内孤立波的振幅深度区间(6~79 m)内,以较小粒径的悬浮颗粒物(15~25μm)分布为主,且越接近内孤立波的波谷深度,出现较小粒径悬浮颗粒物的频率越高。(2)悬浮颗粒物分布由内孤立波波峰线中心区域扩散到两侧,在中心为体积浓度低值区(≤91μL/L),而波峰线两侧区域与内孤立波传播路径远端区域为体积浓度高值区(≥500μL/L)。此外,研究进一步揭示了内孤立波通过改造作用使聚集状态的悬浮颗粒物被分解为粒径较小、组成单一的颗粒,通过控制作用改变悬浮颗粒物在波峰线不同位置、传播路径和振幅深度上的体积浓度分布,为理解南海源-汇沉积体系提供了重要的理论依据。

内孤立波作用下新概念人工海床水动力载荷及流场特性研究

新概念人工海床能够有效提升海上油气开发装备对强风、巨浪和表面强流等海面灾害性海洋环境要素的适应性,但内波产生的巨大冲击载荷是影响人工海床作业安全的关键因素。本文研究内孤立波作用下新概念人工海床水动力载荷及流场特性问题。首先,以eKdV方程为理论模型,采用速度入口造波方法,建立三维内孤立波数值水槽,实现内孤立波的数值造波;在此基础上,对数值造波的波形与理论波形和试验波形进行对比,验证数值方法的有效性;最后,计算内孤立波作用于人工海床的水动力载荷,详细研究不同内孤立波振幅下人工海床的受力特性,分析人工海床周围的速度场和涡量场。研究结果表明:随着内孤立波振幅的增加,人工海床所受的拖曳力、垂向力和升力均逐渐增加,且拖曳力和垂向力远大于升力;当内孤立波经过人工海床时,人工海床周围的流体质点速度增大,涡强度增大。本研究可为大型水下工程结构物的内孤立波载荷预报及流场特性分析提供一种有效的数值计算方法。

利用FY-4B地球静止气象卫星观测南海北部内孤立波及传播速度

本文利用中国新一代静止轨道气象卫星FY-4B数据开展了南海北部海域内孤立波观测及传播速度研究。首先使用500 m分辨率的全圆盘ARGI数据对FY-4B卫星可观测内波区域进行了讨论,确认了南海北部为研究区域。之后利用250 m分辨率的GHI数据使用多时相图像比较法(Multitemporal Image Comparison Method,MTI)计算了南海北部内孤立波的传播速度,其平均传播速度为1.78 m/s,东部深海区平均传播速度为3.02 m/s,向西传播至东沙群岛附近后平均速度减小至1.90 m/s,经过东沙群岛分裂后南部比北部传播速度更快,分别为2.08 m/s和1.54 m/s;最终在向西传播到近岸区域后内孤立波传播速度减小至0.42 m/s,直至最终消散。将MTI方法与两层模式下扩展KdV方程(extended Korteweg-de Vries,eKdV)计算得到的理论传播速度进行了对比,二者相关系数达到了0.89,证明eKdV理论方程对南海北部内孤立波传播速度反演的可行性,但仍具有一定的局限。最后将实测数据与遥感影像匹配计算内孤立波传播速度的结果与单一遥感影像计算内孤立波传播速度的结果进行了比较,两者相关性达到了0.93。本文验证了静止轨道卫星光学遥感数据的高时间分辨率特点对内孤立波传播速度研究具有的较大优势,对南海北部内孤立波参数反演等研究工作具有一定意义。

内孤立波中潜水器纵向运动特性数值仿真研究

海洋中内孤立波会诱发突变的环状剪切流,导致潜水器产生大幅度的垂向掉深和俯仰运动,给潜水器航行安全和作业性能带来威胁。本文基于CFD的速度入口造波法和重叠网格技术,建立内孤立波中潜水器运动响应预报方法,通过与分层流水池试验结果对比,证明该方法可准确模拟内孤立波中潜水器大振幅运动;通过对处于分层界面的无动力悬浮潜水器在内孤立波中的运动过程模拟分析,揭示内孤立波中潜水器掉深及俯仰运动产生机理,同时探究分层厚度比、波幅、潜深等参数对无动力悬浮潜水器纵向运动的影响规律。结果表明:潜水器在内孤立波中的掉深和俯仰运动幅值是由内孤立波波幅和最大波倾角决定;波幅、分层厚度比、潜深等因素对潜水器纵向运动特性有较大影响。

细长潜器在内孤立波作用下大幅运动的轨迹和姿态

海洋内部的大幅内孤立波可能会威胁到潜器的航行稳定性和安全性,为探究潜器迎面遭遇内孤立波时的运动特性,建立两层流中细长潜器结构在内孤立波作用下的大幅运动时域求解模型。考虑潜器各运动自由度耦合引起的非线性作用力,潜器受到的内孤立波力采用Morison方程和Froude-Krylov力计算,由内孤立波传播引起的静力变化通过对潜器表面静压强积分计算。通过与计算流体力学数值仿真结果和物理模型试验结果对比验证模型的精度,并计算SUBOFF潜器在两层流中不同潜深、不同航速时迎面遭遇KdV型内孤立波后的运动轨迹和姿态。数值仿真结果表明:内孤立波作用下,位于密度分层界面上方和分层界面处的潜器沿内孤立波传播方向运动,位于密度分层界面下方的潜器逆着内孤立波传播方向运动;垂向上潜器会发生大幅掉深,且先下沉再上浮;不同潜深、航速下潜器表现出不同的运动轨迹和姿态。

跃层厚度对内孤立波能量耗散的影响

内孤立波破碎混合是陆架地形上海洋混合过程重要的能量汇,为了探究内孤立波在连续跃层密度分层中能量变化及能量耗散规律,本文使用OpenFOAM建立数值水槽,基于双曲正切曲线设置连续跃层密度分层开展了一系列工况的模拟,针对跃层厚度对内孤立波能量传递及其耗散进行了详细分析。结果表明跃层厚度与跃层处流速剪切存在着负相关关系,随着跃层厚度的增加能量耗散先减小后增大。跃层厚度较小时,跃层处流速剪切强,理查德森数小,易产生开尔文-亥姆霍兹(Kelvin–Helmholtz)不稳定现象;随着跃层厚度的增大,流速剪切减小,理查德森数增大,开尔文-亥姆霍兹不稳定消失;跃层厚度达到临界值后,层结稳定性减小,理查德森数减小,流场的翻转混合过程加强,能量耗散也明显增强。

陆丰海域秋季第一模态内孤立波观测特征分析

南海北部内孤立波异常活跃,具有极强的非线性、极高的强度和极大的能量,其传播特性和精细结构在背景过程影响下更加复杂,加剧了内孤立波预报和海上石油平台作业的难度。基于南海北部陆丰海域295 m水深处一套潜标连续79 d的观测资料,分析了秋季内孤立波的波动特征和统计规律。典型内孤立波表现为波列的形式,头波振幅达86.7 m,在海洋上层导致局地增温超过8.0℃,并诱发最大达0.83 m/s的西向流和0.60 m/s的北向流,在波前产生最大达0.25 m/s的下降流。对观测期间捕捉到的91个内孤立波统计分析表明,内孤立波主要沿WNW方向传播,平均振幅为59.9 m,在海洋上层诱发的最强西向流速平均值为0.79 m/s;在天文大潮时期,内孤立波在04:00至06:00和16:00至19:00频繁出现,且农历初二至初五和十六至十八期间经过陆丰海域的内孤立波具有更大的强度。此外,全日内潮与半日内潮共同作用下压了温跃层,导致典型内孤立波中形成了1个上凸波动,其在近底层导致局地降温达1.3℃,并诱发超过0.30 m/s的西向流和0.20 m/s的北向流;该上凸波动陡峭的波前汇聚了强剪切,极易触发剪切不稳定。本研究结果可为陆丰海域海上石油平台施工、勘探船作业等提供重要参考。

下凹和上凸型海洋内孤立波对遥控潜航器的作用力研究

遥控潜航器在海洋环境勘测、钻井支持和水下救援等领域得到了广泛应用。遥控潜航器在陆架和陆坡处工作时很容易遭遇海洋内孤立波(Internal Solitary Waves, ISWs)。海洋内孤立波在传播过程中会诱发水平向和垂向流,从而对正在下放、回收和作业状态的遥控潜航器施加作用力。本文分别利用连续分层e KdV和KdV方程估算2个振幅相近的下凹和上凸型海洋内孤立的流速场,进而利用莫里森公式(Morison’s equation)估算这2个海洋内孤立波对1个遥控潜航器的作用力,比较遥控潜航器在不同类型海洋内孤立波流场中的受力差别。研究表明:下凹和上凸型海洋内孤立波均会对遥控潜航器施加较强的水平向力,且不同类型海洋内孤立波在相同深度上对遥控潜航器施加的水平向力的方向不同;对下凹型海洋内孤立波,遥控潜航器在上、下层所受水平向力的大小相差不大;对上凸型海洋内孤立波,遥控潜航器在下层所受水平向力是上层所受的水平向力的2倍;2种类型海洋内孤立波对潜航器施加的垂向力都较弱。

基于SPH方法的孤立波数值模拟

文中应用DualSPHysics开源代码平台,基于Goring理论采用推板造波方法构建二维数值造孤立波水槽,探究粒子间距D p对数值模拟孤立波的影响.采用6种粒子间距D p分别对2种波高的孤立波进行了数值模拟,显示了2个监测点处数值模拟与解析解的波形对比,计算和分析了不同D p下、4个监测点处的波高与理论波高的误差.结果表明:粒子间距D p=0.01 m时数值模拟精度较高同时计算耗时较少,并将此种粒子间距D p的数值模拟结果与物理试验测量结果进行了对比,二者吻合程度好.

内孤立波作用下FPSO理论载荷预报

为解决FPSO在内孤立波作用下理论载荷预报的问题,基于两层流体系统中内孤立波KdV、eKdV、mKdV和MCC理论,结合已有的内孤立波与FPSO相互作用的大型密度分层水槽系列实验结果与Froude-Krylov公式,建立内孤立波作用下FPSO理论载荷预报模型。结果表明:内孤立波水平载荷可分为压差力与摩擦阻力,摩擦阻力约为压差力的1/3,摩擦力和压差力在时历上存在相位差;垂向载荷主要为压差力;摩擦阻力系数与上下层流体分层比和雷诺数有关,且呈指数关系,据此构建理论预报模型,预报结果与实验结果对比一致性较好。

基于数值模拟的不同形态内孤立波特征研究

作为南海中频发的重要动力过程,内孤立波对水体及物质的输运具有显著影响,对南海生态环境具有重要意义。在传播过程中,内孤立波会经历形态变化,从而引起不同的生态学效应。文章基于MITgcm数值模式模拟了南海北部内孤立波的传播过程,并获取了为期20天的模式数据。分析结果表明,自吕宋海峡产生的内孤立波在传播过程中逐渐由下凹型转变为上凸型。具体而言,下凹型内孤立波的上层流速向西北方向流动,下层流速向东南方向流动,而上凸型内孤立波的流速方向则完全相反。在传播路径上,形成了第二模态内孤立波,其上层等温线向上凸起,下层等温线向下凹陷,同时垂向上流速呈现上下层流速方向相反的情况。

广义b方程的孤立波解及周期波解

对于广义b方程的研究主要集中在b≥0的情况,该文利用分支方法研究了b=−3这类特殊广义b方程的分支、非线性波解及动力学特征.在一定参数条件下,得到了该方程的分支相图,还发现了不同于b>0情况的新现象,在行波系统中有无限多周期轨穿过奇异直线φ=c.同时,给出了光滑孤立波解和光滑周期波解的存在性及其精确表达式,共获得了15个非线性波解的显式表达式.

地球旋转效应对X-型内孤立波间波-波相互作用的影响

本文使用带旋转项的Kadomtsev-Petviashvili(KP)方程,将X-型波作为初始条件,进一步研究地球旋转对其的影响,并简要描述了KP方程和初始X-型波的表达式以及求解KP方程的边界条件和数值方法。从已经观测得到的波-波相互作用的形态中,选择了其中出现频率较高的3种进行研究,并得出演化结果。本文的研究结果可以加深我们对内孤立波动力学的理解,对海洋资源的开发利用和国防建设具有一定的意义。

海洋内孤立波作用下潜体运动响应特性研究

2021年4月印度尼西亚海军“南伽拉402”号潜艇在巴厘岛以北约60海里(111.12km)处发生沉没,分析表明大振幅海洋内孤立波作用可能是事故原因之一。基于大振幅内孤立波eKdV理论与Morison公式建立了内孤立波作用下潜艇的运动学模型,揭示不同内孤立波振幅、潜艇潜深条件下潜艇的运动响应特性,进一步说明内孤立波可能造成印度尼西亚潜艇失事。结果表明:内孤立波对潜艇的运动状态产生巨大影响。垂直方向上潜艇在短时间内产生大幅度掉深,而水平方向上其运动方向在密度界面上或界面处与内孤立波传播方向一致,界面下则相反,且内孤立波产生的垂向力矩可能造成潜艇倾覆。不同波幅、潜深下潜艇表现出不同的运动响应规律。研究表明印度尼西亚潜艇失事可能是潜艇执行任务过程中遭遇了较大振幅内孤立波,导致其发生大幅度、迅速掉深。

基于天通通信的内孤立波监测系统设计与应用

实时监测是实现内孤立波预警的前提和基础。文章根据内孤立波过程海流的特征,提出了一种基于天通通信的内孤立波监测系统。该系统在浮标端搭载海流计进行剖面海流的实时观测,并将数据进行分帧传输和丢包重传,保证观测数据的可靠实时传输;在云端采用数据接收存储和内孤立波识别功能解耦的设计,在实现内孤立波监测的同时,降低模块间的交互调用,提高系统运行的稳定性。海上工程应用结果表明,该系统运行稳定,浮标端数据采集率达100%,云端有效数据接收率达95.1%,且系统自动化内孤立波监测的功能有效地提高了内孤立波识别效率,保障了目标海域的施工安全。