波流耦合影响下分层海床隧道周围砂土渗流孔压及液化分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑波浪与海流共同作用对隧道的影响。此外,既有理论一般将海床视为均质且各向同性工况,忽略了实际情况下分层海床的影响。首先,基于波流共同作用下的海床表面的动力边界条件,采用传递-反射矩阵法得到波流共同作用下自由分层海床的孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了波流共同作用下分层海床中隧道周围砂土的渗流压力响应及液化判定解答。最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对海床渗透性和隧道衬砌渗透性进行了影响因素分析。结果表明:海流顺流会增大海床中的孔压和液化程度,逆流会减小海床中的孔压并抑制海床的液化,且流速相同时海床对逆流响应的相对差异总体上也大于顺流;当分层海床上层渗透系数较大时(k+s>1×10^(-2)m/s),海床整体孔压较大,且第一次分层处孔压变化明显;当隧道衬砌渗透系数较小时(k+l<1×10^(-6)m/s),隧道对超静孔隙水压在海床内传播“阻挡”效应明显。

长江口潮滩高分辨率波流耦合模型

海岸带潮滩地区在潮汐的影响下呈现出复杂的地貌形态和波浪-水流的相互作用。建立高分辨率的潮滩波流耦合模型,以模拟潮滩中的精细波浪水动力过程,对于海岸防护设施设计和滨海湿地生态修复工程至关重要。本文以长江口南汇潮滩为研究区域,通过提出基于无人机RTK数据的潮滩高程反演技术,构建考虑潮滩干湿界面交替变化的波浪-水流耦合方法,开展潮滩波浪和水流现场观测等手段,借助Delft3D软件包建立了长江口潮滩高分辨率波流耦合模型。该模型嵌套长江口大尺度模型和潮滩小尺度模型,整合了海图水深数据、船测水深数据以及无人机高程反演数据,模型的边界条件包括天文潮汐、风场、径流和二维波浪谱等时序数据。研究结果表明,该模型不仅成功重现长江口水位、波浪和水流等关键参数,还能够精准模拟潮滩上的非线性波流耦合过程,模型模拟的潮滩水位、流速流向、波高等方面与实际观测数据具有较强的一致性。该模型不仅可为海岸水动力-结构相互作用模型提供边界条件,还能为滨海湿地生态修复和河口海岸管理提供精准的水动力支持。

钦州湾波流耦合作用泥沙输运特性研究

为定量评估钦州湾三墩公路东侧海域清淤对当地水动力环境以及泥沙输运特性的影响,基于平面二维数学模型开展波流耦合作用泥沙输运特性研究,在验证计算结果可信的条件下,探讨了工程海域疏浚对水流特性分布、纳潮量变化以及工程后年回淤量的影响。分析结果表明:清淤将导致工程海域的海流流速平均降低4~8 cm/s,局部流速降低达到30 cm/s,但是对该区域纳潮量增加贡献幅度有限,仅微幅增加0.065%;由于清淤导致流速降低,使得工程海域大部分区域呈淤积状态,平均回淤强度达2~4 cm/a,近岸区域回淤强度达8~10 cm/a,局部区域由于流速增大,冲刷强度达到每年1~2 cm。

波流耦合作用下围油栏拦油效果研究

海上石油泄漏会严重损害海洋生态环境,在海上溢油事故中,围油栏得到广泛应用。其中,外部环境和自身结构参数会对围油栏的拦油效果产生影响。本文采用物理模型实验和数值模拟相结合的方法,通过分析波流作用、裙体高度等因素对围油栏运动响应和油损失量的影响,分别得到裙体高度、波流方向对围油栏拦油效果的影响以及不同因素下导致拦油失效的原因,为围油栏的设计、选型提供合理、可靠的数据参考。

基于非结构网格的波流耦合数值模式研究

本文采用ADCIRC模型和SWAN模型,建立了一个基于非结构化网格的波流耦合数值模式,风浪计算和潮汐风暴潮计算均采用同一套三角网格,对复杂岸线和建筑物布置均有较好的描述,且避免了模型插值,提高了计算效率和精度。利用该模型对渤海湾西南海域几次强风过程中的风浪和潮汐风暴潮进行了研究,通过实测资料对该模型进行了验证,结果表明该模式具有较高的精度,能较好地描述风浪、潮汐风暴潮的传播演变及其相互作用,可应用于风浪与潮汐风暴潮的模拟计算。

波流耦合模式及其在理想潮汐通道中的应用

波浪和水流是近岸地区最重要的2种动力要素,为探究两者之间相互作用关系,本文利用MCT耦合器,将第3代海浪模型SWAN和区域海洋模型ROMS进行耦合,建立了SWAN-ROMS波流双向实时耦合模型。针对理想潮汐通道的典型算例进行波流耦合计算分析,分别对采用SWAN模型单独计算和采用SWAN与ROMS耦合计算的方案进行了数值试验,通过对照两者的结果,分析波流相互作用条件下对波浪和潮流的影响。研究发现建立的波流耦合模式能够较好模拟潮汐通道中的波、流相互作用关系,潮流的存在对波浪影响较为明显,周期性的潮流运动使得稳定的波浪场也产生了周期性变化,潮流与波浪向同一方向传播时,会导致波高减小,而相对运动则会导致波高增加。

波流耦合环境下潮流能水轮机阵列对区域潮流特性影响研究

通过将Delft3D-FLOW和WAVE模块在线耦合,建立斋堂岛海域的三维波流双向耦合模型,并通过动量损失的方式等效模拟潮流能水轮机阵列,以此为基础研究波流耦合环境下潮流能水轮机阵列对区域潮流特性的影响。结果表明:水轮机阵列放置后,区域海域水位变化最大可达约2 cm,流速变化最大可达约0.4 m/s;在波流耦合环境下,沿岸区域以及水流流过水轮机阵列和海峡后的交汇区域水位和流速变化较大,且表层和中层流速变化更为明显,波浪带来的区域潮位变化约为1 cm,表层和中层流速变化约为0.25 m/s。

荣喜近岸区波流耦合作用下的流场模拟

一方面将波浪对底部剪切应力、表面拖曳力系数、辐射应力以及表面混合长度的影响引入至COHERENS。另一方面又将水动力模型COHERENS和第三代波浪模型SWAN耦合,使两模型能够随时互相交换水流、水位以及波浪信息,最终获得波流耦合模型COHERENS-SWAN并将其应用于荣喜近岸区波流共同存在情况下的波流作用模拟研究。计算所得的流速、流向和水位与实测数据吻合较好。

典型风况下兴凯湖波流耦合数值模拟研究

兴凯湖是中俄界湖,湖区流场和波浪场的观测数据及相关研究工作十分匮乏。针对兴凯湖典型风况下波流耦合数值模拟问题,在兴凯湖风场及湖水位特征分析的基础上,首次采用Delft-3D模型对兴凯湖流场和波浪场进行耦合数值模拟,分析了流场和波浪场的结构,并与太湖实测流场进行了对比分析。另外,利用相关规范中的公式计算了流场和波浪场的相关水力要素,验证了数值计算结果。经分析认为,波流耦合作用是兴凯湖北岸泥沙淤积、湖岸冲蚀破坏的主要原因。研究成果对兴凯湖北岸的防护工程建设及水资源保护具有重要意义。

近岸区域波流耦合作用的数学模型

本文提出了一个讨论近岸波浪和波生流耦合作用的二维数学模型。在波浪场中运用波数矢量无旋和波作用量守恒方程求解波浪在波生流作用下的折射、绕射变形，以辐射应力作为波生流场的驱动力，考虑地转柯氏力和海底底摩擦的作用。文中采用Dingemans（1987）的地形对波流耦合作用进行了分析。数值计算结果表明波流耦合作用对近岸波浪场和波生流场的影响比较显著，在工程实际上应当综合考虑波流耦合问题。

基于波流耦合分析下的斋堂岛海域潮流特性研究

利用Delft3D FLOW和WAVE模块建立斋堂岛海域的潮流场、波浪场水动力学模型,并通过2个模块在线耦合的方法建立波流双向耦合模型,模拟并分析波流耦合环境下的斋堂岛海域潮流特性;根据波流耦合模型和潮流模型数值模拟的结果,对比分析波流耦合环境下的斋堂岛海域潮流特性变化,同时研究波浪在沿岸不同的空间位置对流速变化的影响。结果表明:斋堂岛海域在离岸位置160~400 m的波浪破碎带区域内,波浪对流速的影响较为明显,且在水深较浅区域影响幅度大于水深较深区域。

波流耦合模型在风暴潮波浪增水推算中的应用

文章通过收集威海海域附近引起严重影响的台风资料,并以历时台风资料为样本,采用montecarlo随机模型重新生成12组台风。建立波流耦合数值数学模型,以台风为驱动要素,对风暴潮引起的波浪增水进行了分析计算,得到台风过程影响下威海沿海海域的风暴潮增水与波浪要素,将研究结果进行了验证和与实测数据进行分析比较,并将研究结论应用于部分工程的实践。

多工程和波流耦合作用下养护海滩的地貌演变特征

为探究秦皇岛市戴河口至洋河口岸段海滩在养护工程实施后的地貌演变特征,采用双重嵌套网格技术在验证良好的波流耦合水动力模型基础上建立该海域的泥沙输运及海床演变模型,模型得到了实测资料的良好验证。模型的计算结果及实测剖面资料表明:潮流和常浪耦合下的泥沙分布与潮流和和强浪耦合下的泥沙分布形式一致,平均泥沙浓度及工程前后泥沙浓度增加值落急时刻大于于涨急时刻;工程后沙坝周围出现悬沙高浓度带,常浪时位于沙坝向岸侧,强浪时带位于沙坝向海侧;工程后沙坝处发生侵蚀,沙坝向岸侧发生淤积,沙坝向岸移动,工程在有无风暴潮的情况下均能起到保护海滩的作用。

波流耦合作用下双层砂质海床累积液化特征数值分析

波流共同作用下双层砂质海床的稳定性,目前集中于对其瞬态液化特征的研究,由于海床瞬态液化深度一般较小,难以全面反映双层砂质海床的液化特征,故有必要对其累积液化特征进行分析。基于海床累积孔隙水压力发展控制方程,利用Comsol Multiphysics有限元分析平台,对波流耦合作用下双层砂质海床的累积液化特征进行了分析。结果表明,顺流会增大海床的液化深度,考虑到海床的累积液化效应,实际海况中的较大流速不容忽视;上下层海床的渗透系数及其相对厚度对双层海床的累积液化特征有重要影响。

波流耦合作用下导管架平台整体结构静力分析

针对三桩导管架的结构和特点,采用有限元分析软件ANSYS对其进行了结构建模和静力计算。基于结构的对称性,计算中采用了三个典型的波流入射方向:0°、45°和90°,每个方向都取最危险的工况,即波流耦合同向。针对操作条件,对导管架整体进行了静力分析计算,得到了一些对工程实践有意义的结论。

波流耦合下保守污染物迁移扩散的模拟研究

基于三维潮流和谱波浪模型,以及输移扩散模型和拉格朗日粒子追踪模型,构建了波流耦合下保守污染物的迁移扩散模型。模型基于非结构化网格,对近岸复杂岸线有很好的拟合,可用于大范围波流耦合计算。运用所建的耦合模型研究了旅顺港内外的潮流变化、波生流场、保守污染物输移、粒子运动、以及新水道对湾内污染物迁移的影响,模拟的潮流场与实测数据吻合较好。结果表明:潮流会在湾内近湾口处形成一逆时针涡,波浪对湾内影响较小,但波生流会改变湾口流场分布;在湾内处于涡中的水体潮流自净能力较强,而湾中及湾底则较弱,SE向波浪会降低湾内水体的自净能力;新潮流通道的开挖,会显著改善水体的自净能力,尤其对湾底浅水区域作用明显。

波流耦合作用的缓坡方程数学模型研究

依据Kirby和Dalrymple提出的既适用于浅水又适用于深水的波浪非线性弥散关系,建立一种包含折、绕射,浅水变形以及破碎的波流联合作用的缓坡方程模式,有效地解决波浪与流速的耦合作用。通过Berkhoff经典实验检验了该模式的正确性,得出了令人信服的结果,并将该模式应用到一裂流模型。本模式可用于模拟任意不规则海底的波流耦合作用场,并可考虑近岸波浪浅水变形、折射、绕射和能量耗散的影响。

波流耦合下桩周珊瑚砂冲刷机理研究

针对我国南海某岛礁珊瑚砂地基上的圆形桩基础,采用N-S方程k-ε模型、双向耦合方式跟踪流场中颗粒运动轨迹的方法,对桩周珊瑚砂的冲刷规律进行了求解,分析了桩体周围流体的速度场以及桩体表面剪应力场的分布规律,同时对桩周珊瑚砂冲刷坑的形成过程进行了模拟。计算结果表明,在桩体周围形成的马蹄形漩涡和桩柱后方的尾涡作用下,桩周土体出现了较为明显的冲刷现象,涡旋的释放显著地影响着珊瑚砂地基上桩基的冲刷坑形状;而且,由于珊瑚砂颗粒密度较石英砂小,水动力作用下桩周冲刷坑更容易形成,所以实际工程中需要考虑有效的防护措施。

波流耦合对漂浮式潮流能水轮机阵列影响的研究

为了研究固定式水轮机阵列的间距是否适用于漂浮式水轮机阵列,文章建立了潮流能水轮机及其阵列数值模型,利用CFD的动网格技术,分析波流耦合对漂浮式水轮机阵列的影响。研究结果表明,相较于固定式水轮机,漂浮式潮流能水轮机速度损失的恢复时间更长,后排水轮机的能量利用率明显下降。在实际工程中,为了保证水轮机的能量利用效率,应该适当增加前后排水轮机的间距。

波流耦合作用下的立管涡激振动分析研究

利用有限元软件ABAQUS中的AQUA海工模块对立管进行了数值模拟计算。在分析计算过程中,利用Morison方程求出波流耦合力,然后将水动力载荷由流场传递到立管进行动力分析。在频域和时域的振动分析中,每一步的计算结果作为下一步的初始条件进行迭代分析。分析结果表明,经过数次迭代立管的模态响应更加接近实际情况。