多波束定点实时冲刷监测系统构建及应用

随着沿海地区经济和城市群一体化的高速发展,跨海大桥和海塘的规模与数量与日俱增,强潮区域的桥梁、海塘等海洋结构物易受局部冲刷,影响安全运行。如何对此类结构物的局部冲刷进行实时监测和研究分析已成为目前海洋工程安全领域的难点。通过总结分析以往冲刷监测技术的优缺点及其适用性,研发了多波束定点实时监测系统,改进了数据实时采集和处理方法,为冲刷机理研究和海洋结构物防灾减灾提供具有时间序列的全覆盖水下地形数据。并通过实测数据拟合适用于跨海大桥的冲刷计算式,为桥墩及海塘等结构物的冲刷机理研究和冲刷预报提供基础数据和计算方法。

近床面水平圆柱局部冲刷二维数值模拟

为研究近床面水平圆柱的局部冲刷问题,基于N-S方程和有限体积法,在FLUENT中通过二次开发建立了局部冲刷二维数值模型。模型采用标准k-ε紊流模型来计算水平圆柱周围的流场,同时借助FLUENT软件中的自定义函数功能提取床面剪应力参数来计算该时刻的推移质输沙率及床面节点位移变化值,然后运用动网格技术来模拟床面地形的变化,通过物理模型试验来进行模型验证。结果表明,计算结果与试验结果基本一致,从而证实了冲刷模型的准确性。

导流板对波浪作用下海底管线影响研究

为研究导流板对波浪作用下海底管线的影响,在FLUENT中建立二维数值波浪水槽对不同导流板高度的海底管线附近波浪场进行数值模拟,并将计算结果与试验结果进行了比较,结果表明,计算结果与试验结果较为吻合。添加导流板后管线表面压力分布及波浪力均发生变化。水平波浪力最大值随着导流板高度的增大而增大,而垂直波浪力最大值则随之逐渐减小。

泥沙局部冲淤二维数值模拟仿真

为了更好地对河流、海洋的局部冲淤问题进行研究,在FLUENT中通过二次开发建立了泥沙局部冲淤二维数值模型.模型采用标准k-ε紊流模型来计算流场,通过自定义函数功能将泥沙输运模型嵌入到FLUENT中,床面地形的变化采用动网格技术来进行实现.通过2个算例对该模型的可靠性及通用性进行了验证.结果表明,该模型模拟结果与前人结果基本符合,模型的通用性较好.该模型可以应用于其他形式的局部冲淤数值模拟,具有广阔的应用前景.

波浪作用下海底管线局部冲刷临界条件

为保护海底管线避免冲刷,对海底管线局部冲刷的临界条件进行研究是十分有必要的。基于海床多孔介质假设,通过添加源项方法来实现海床泥沙颗粒对水流的阻滞作用,建立了海底管线周围水动力场-渗流场耦合数值模型。利用前人数值试验结果对该数值模型进行了验证,在此基础上基于边界造波法和VOF方法对波浪作用下海底管线周围水动力场-渗流场进行了联合数值求解。分析了波浪KC数、相对埋深e/D对管线两端压差的影响,研究了管涌出口处水力梯度的变化规律。研究发现管线两端压差和渗流水力梯度随着KC和相对埋深e/D的增大而减小。管线冲刷的临界无量纲流速随着KC和相对埋深的增大而增大,并通过曲线拟合建立了一个用于计算管线冲刷无量纲流速的经验公式,为实际工程中海底管线的防护提供了重要的技术支持。

涌潮水流作用下桩柱表面压强及受力分析

涌潮水流是一种蕴含较大能量的强非线性间断流.针对我国钱塘江河口地区范围内桥墩等桩式建筑物在涌潮水流作用下长期遭受的猛烈冲击问题,采用物理模型试验对桩柱在潮前水深上下两部分表面压强时程变化及涌潮潮头最大冲击压强出现位置进行了探讨并拟合得到最大冲击压强计算公式;采用数值模拟手段进行分离式建模,对桩柱在潮前水深上下两部分受力进行提取分析并拟合得到涌潮作用力计算公式.研究结果表明,涌潮水流与桩柱相互作用过程可分为3个阶段:在瞬时冲击期内,潮前水深以上桩柱部分在潮头猛烈冲击作用下,桩柱表面压强及受到的作用力瞬间增大至极大值,潮前水深以下部分表面压强和受到的作用力增长缓慢;衰减振荡期内,桩柱在潮前水深以上部分表面压强和受到的作用力迅速下降,潮前水深以下部分压强波动不大,受到的作用力衰减速率明显小于潮前水深以上部分;绕流作用期内,桩柱在潮前水深上下两部分表面压强和受力波动逐渐减小.桩柱在涌潮作用下表面压强及受力大小与涌潮水流参数中的潮前水深h0和落潮流速V0呈负相关,与涌潮高度H呈正相关;涌潮作用下最大冲击压强出现在0.5 H附近,拟合得到的最大冲击压强及作用力计算公式经验证后具有良好的精度,可为相关应用提供参考.

各种间隙比下海底管线绕流二维数值模拟与实验研究

通过数值模拟方法与物理模型实验,对不同间隙比情况下的海底管线绕流特性进行研究。数值模拟采用有限差分法对标准k-ε湍流方程和控制方程进行离散,利用GMRES算法求解离散方程,模拟绕流流场。物理模型实验中采用超声测速仪ADV系统测取不同断面的流速分布情况,分别分析不同间隙比情况下的漩涡运动特性。同时分析各垂直断面不同间隙比时尾流流速变化情况,数值模拟结果与实验结果吻合较好,本文成果为进一步研究海底管线的防护措施打下基础。

双调压室多机组水电站水力-调速系统稳定性研究

讨论了设置上下游调压室多机组水电站水力调速系统的稳定性,基于系统动力平衡原理与线性方程组稳定性条件系数矩阵特征值实部皆为负值求取水力调速系统的稳定域。通过实例分别计算了不同比例的支管管道参数稳定域及一台机组参数选定下另一台机组的稳定域。结果表明,多机组电站的各支管管道惯性时间常数越接近,其合并机组与未合并机组方法的计算结果越接近;多台机组采用不同调速器参数同样可确保系统的稳定,为实际工程提供了可靠的理论依据。

水下管道局部冲刷平衡深度预测方法

为了更准确地预测水下管道局部冲刷平衡深度,提出了一种预测局部冲刷平衡深度的新方法,通过数值模拟手段,利用有限体积法来求解N-S方程和标准κ-ε方程,得到了冲刷平衡时的水下管道绕流场,进而分析了冲刷坑内过流量,通过数据拟合得到与冲刷坑深度有关的冲刷坑过流量经验公式,并应用基于该公式的冲刷平衡深度预测方法和已有方法对不同水流条件下冲刷坑深度进行了预测。结果表明,该方法预测结果与试验结果更接近,预测误差在20%以内,明显高于已有方法,为水下管道局部冲刷平衡深度预测提供了技术手段。

异重流三维非静压数值模拟研究

针对异重流的三维运动特征,应用非静压模式的TELEMAC-3D数值模块对其进行了模拟研究。该模型应用分布有限元法对动量方程和输运方程进行处理,应用该模块对不同尺度的盐度密度流和温度密度流进行了数值模拟验证,结果表明,模拟结果与前人模型结果吻合较好,表明该模块可应用于各种尺度的异重流演进计算。

贴壁双海底管道绕流研究

针对单向水流作用下双海底管道绕流问题,基于N-S方程和标准k-ε紊流模型,对2管间距在1D<Ls<10D情况下的双海底管道绕流时均水动力场进行计算模拟,得到不同断面的流速分布,与试验结果比较接近;应用模拟手段分析间隔内涡旋特征随间隔比的变化规律,并对各管两端压差随间隔变化规律进行探讨,发现在10D范围内,上游管压差远大于下游管压差,上游管更易于冲刷和悬空。

用DrainMOD模型模拟稻田排水与氮素流失

稻田排水伴随的氮素流失是造成当前农业面源污染的主要原因之一。DrainMOD排水模型和DrainMOD-N氮素运移模型是模拟田间尺度下土壤水氮运移的有效工具。该文将模型应用于湿润的水稻种植区,对湖北漳河灌区稻田排水和氮素流失过程进行了模拟。结果显示,水稻全生育期模拟排水总量、硝态氮和铵态氮流失总量与实测值吻合较好,相对误差分别为4.6%、16%和2.8%,但从各生育阶段分开的模拟结果来看,还存在较大的误差。经初步分析,观测资料有限,模型参数率定不充分是主要原因。研究总体表明,DrainMOD模型可以有效地描述稻田排水排氮过程,对提高水肥效率,预防面源污染具有重要意义。

Spoiler自埋技术特点及其在杭州湾海底管道运行情况分析

海底管道阻流板(Spoiler)自沉埋技术是一种新型管道自埋技术,为深入了解其作用机制及其效果,本文通过分析安装有阻流板的杭州湾海底管道历年检测资料,结合管道附近海域海床、潮流动力特性,深入探讨了阻流板装置在实际工程中的运行效果,分析了其作用机制及其适用条件。研究发现安装阻流板装置的杭州湾海底管道在往复潮流作用下逐渐埋入海床,其埋入段长度由2005年的50%增加到2013年的80%以上,而且平均埋入深度超过2.6m,自埋效果较好;而在管道路由与海流平行段或管道敷设于抗冲刷强海床上时,阻流板作用不能有效发挥,管道仍然呈现裸露状态。

钱塘江河口古海塘塘前滩地冲刷研究

利用2010年以来钱塘江河口海宁古海塘塘前滩地地形精细化监测资料,结合河口洪水、潮汐以及宏观河床地形等资料数据,分析了古海塘塘前滩地冲刷机理。结果表明:(1)古海塘所在的强涌潮河段,潮强流急、河床冲淤变化剧烈,年际河床呈现丰冲枯淤,年内呈现洪冲枯淤、大潮期或冲或淤的特征;(2)塘前滩地高程对洪潮动力响应复杂,其中大缺口河段位于潮水上溯顶冲河段,塘前滩地以潮水冲刷为主,最低高程出现在梅汛后的秋季大潮期,洪水对该段滩地的影响主要是梅汛期冲刷河槽,江道容积越大,进而潮动力越强滩地冲刷越剧烈;尖山河段塘前滩地以洪水冲刷为主,梅汛期后的大潮期亦有一定的冲刷。成果揭示了塘前滩地高程对洪潮动力宏观层面的响应机理和时空差异性。

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr<1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。

植物根系对河道滩坡抗冲性影响的试验

为研究植物根系对边滩坡面固土抗冲性的影响,选择麦冬草、芦苇和蒿草3种天然植物进行抗冲性物理试验,测量植物种植密度、根系面积比率和冲刷量。试验结果表明,根系发达、根系面积比率大的植物对滩坡的固土护岸作用大且范围广,防护效果好,并给出了根系纵深分布一般公式以及稳定坡面的地形函数。

涌潮潮头掺气的模型试验研究

强烈掺气的涌潮潮头在向河口上游推进的过程中对整个水域的环流结构、泥沙的输移、污染物的扩散乃至整个河口区域的生态平衡等都将产生巨大的影响,因此针对涌潮潮头掺气特征的研究就显得尤为重要。作者在玻璃水槽中模拟了涌潮潮头,运用高速摄像记录系统拍摄涌潮潮头掺气的状态,并对其破碎状态进行观测、统计和分析。通过试验中涌潮潮头形态与涌潮Froude数之间的响应关系与现实中二者之间的响应关系的一致性,检验了试验中所模拟的涌潮潮头形态的合理性。涌潮潮头破碎掺气要历经4个阶段且不断重复,最终在潮头形成一系列的气泡云;通过对比不同工况下涌潮潮头掺气的形态,提出潮头形态的变化主要与落潮流速和涌潮潮头高度相关。为深入定量地研究涌潮潮头的掺气特性,定义涌潮潮头的掺气长度,其与潮前水深及其流速、涌潮潮头的高度及其传播速度等因素密切相关;利用量纲分析确定涌潮潮头的相对掺气长度与涌潮强度和涌潮Froude数之间的函数关系后,运用非线性回归分析试验数据得到计算涌潮潮头掺气长度的经验公式;最后通过对钱塘江盐官段涌潮潮头掺气长度的几组观测值与经验公式计算值的对比与误差分析,验证了经验公式的实用性,为更好地预测涌潮潮头掺气的特征提供了量化的基础。

海底管线柔性导流板的变形方程研究

海底输油管线是海洋油气田开发的生命线工程,在复杂的海洋环境中易发生破坏。为使管线实现自埋防护,提出用柔性材料代替刚性导流板安装在管线顶部,不仅可以增加阻水面积,加大冲刷深度和范围,而且可以减缓刚性导流板对管线上部水流的扰动强度和尾流涡旋的扰动强度,减小管线的振动。利用力学关系由变形方程推导出海底管线与海底间距离为零以及不为零情况下柔性导流板变形的二次曲面方程和自由端最大挠度。在单向流条件下将不同材料不同长度的柔性导流板安装在管线中轴上方开展试验研究,测量柔性导流板在水流作用下的变形曲面。对比分析利用公式计算柔性导流板的自由端最大挠度和曲面变形数据与试验结果,发现两者吻合较好。

基于VB的正交试验设计的软件开发及应用

利用VB平台,开发了可以设计任意因素个数和水平个数下的正交试验设计软件。该软件同时还实现了对试验结果的数据分析。通过实例验证了该软件的准确性及优越性。该软件容量小,操作界面简单明了,使用方便,具有较高的应用价值。

斜坡式海堤结构尺度对越浪量的影响研究

为系统研究坡式海堤结构尺度对越浪量的影响,开展了相关波浪水槽试验,在观察越浪量试验现象的基础上,分别研究了斜坡坡度、防浪墙顶超高、防浪墙高度对斜坡式海堤越浪量的影响。结果表明:防浪墙顶超高对越浪量的影响最为显著,越浪量随防浪墙顶超高的增大而减小,且减小趋势随之变缓,无量纲形式下的越浪量随相对防浪墙顶超高的增大呈现较明显的指数递减关系;随着斜坡坡度的增大,因斜坡面上损耗能量的增加大于反射能量的减少,越浪量总体呈现减小的变化趋势,斜坡坡度对越浪量的影响不及防浪墙顶超高;防浪墙顶超高一旦确定,防浪墙高度对越浪量的影响相对较小。