加速度不对称波浪作用下的底部边界层动力特性

为了研究加速度不对称波浪对底部边界层的影响,建立加速度不对称波浪作用下的底部边界层数学模型,复演物理模型试验中的流速剖面、紊动强度和床面剪切应力,在此基础上探讨加速度不对称波浪边界层的动力特性。结果表明,波峰半周期内正向加速阶段的加速度比较大,引起较快的边界层发育、较大的流速梯度和较大的紊动能量,产生了正向的周期平均床面剪切应力;这些现象随加速度不对称系数的增大而更加明显;在振荡水槽中,加速度不对称波浪边界层内存在底部反向和顶部正向的时均流动,加速度不对称系数的增大会增强底部反向流速;在开敞水域中,时均流速在整个边界层内都是正向的,底部出现"流速外突"的现象,顶部流速趋于均匀分布,加速度不对称系数的增大会减弱底部正向流速。

地震作用下场地有限元建模时底部边界条件的影响

用有限元方法对场地进行地震反应分析时需将半无限域的场地有限化。本文针对底部人工边界的设置,采用滞回阻尼假设,推导了同时包含辐射阻尼和材料阻尼的均质场地地表位移放大系数解析式,进而研究了材料阻尼和辐射阻尼的变化对放大系数的影响。有限元建模时相当于忽略了辐射阻尼,计算误差会随着所分析场地阻抗的增加而逐渐增大,在共振区附近,忽略任一种阻尼的影响,都将显著地高估地表动力反应;远离共振区,阻尼的影响会迅速衰退。本文提出了通过增加场地材料阻尼来弥补所忽略的辐射阻尼的思路,并给出了有限元建模时考虑辐射阻尼后新的材料阻尼的确定方法。

底部边界约束对填充墙RC框架结构抗侧性能影响的非线性仿真分析

底部边界约束对填充墙RC框架结构抗侧性能影响明显,考虑底部约束效应,合理计算填充墙框架结构侧移刚度及其水平抗力的设计方法亟待形成。采用ANSYS程序对3个单层单跨填充墙框架模型进行非线性仿真分析并与其试验结果对比验证之后,建立了3个单层单跨和3个两层单跨不同开洞率的填充墙框架结构模型,模拟分析了底部边界约束对填充墙RC框架结构抗侧性能的影响,得出了底部构件越刚,墙体所受约束更强,墙体受力区域及其传力路径越优,结构抗侧承载力及侧移刚度越大等结论。

波浪运动在底边界层的湍流结构数值研究

本文基于k-ε模型研究了波流边界层内湍流结构特征。研究结果表明,时均流速分布数值解与实验结果高度吻合。一个波周期内湍流结构特征(如:涡量、湍动能、湍动能耗散率等)呈周期性变化规律,波浪作用引起涡量、湍动能及湍动能耗散率均在减速阶段减小,在波谷处达到最低值,而后在加速阶段增大,并在波峰处达到最大值。近壁面处湍流结构变化幅值较大(湍动能耗散率变化可达53%),远离壁面处变化幅值较平均值较小(仅3%)。波流边界层厚度在减速阶段增加,在加速阶段减小。本文所建立的数值模型克服了现有模型因采用“高雷诺数方法”引起的近壁区精度不高问题,可较好地描述波浪作用下湍流结构演变过程的物理机制,为河口海岸地区泥沙运动、岸滩演变及海洋可再生能源的开发利用提供一些指导意义。

强潮河口区近底部沉积动力过程的高分辨率观测与分析

现场试验表明,三角架观测系统稳定性良好,获取了边界层内多层位、连续的温、盐、流速、浊度同步观测数据,适用于浅海近底部沉积动力过程高分辨率观测及物质输运研究。观测结果显示:观测期间,边界层内存在向陆的余流,并呈现逐渐减小的趋势,其主要由涨、落潮流的不对称造成,大风天气和密度环流亦是影响余流强弱的重要因素;观测期间多数时刻底部切应力大于起动切应力,底质沉积物可产生明显的搬运甚至再悬浮;悬沙浓度对沉积动力的响应在涨、落潮,大、小潮阶段均有各自的特点,水动力的变化、潮流加/减速时间的长短、床面泥沙的供应量、上部水体泥沙的沉降是导致悬沙浓度变化的主要原因;底部边界层内,涨、落潮期间不对称输沙导致潮周期内悬沙净向河口湾内输运。

波流边界层内外流速剖面的数值模拟

准确模拟波流相互作用下的流场结构是河口海岸动力学研究与工程实践的一个重要课题。改进了波流边界层控制方程中的波浪压强梯度垂向变化关系式,结合两方程紊流模型,建立了可以模拟边界层内外全水深流速剖面的数学模型。将计算结果与纯水流、纯波浪、波流同向和波流逆向实验数据进行对比,结果表明,模型可以较好地复演波流相互作用下边界层内外的时均流速分布特征。

大陆岩石圈的热-流变底边界——以Kaapvaal、Fennoscandia和Slave克拉通为例

板块构造理论的一个基本假设是相对刚性的岩石圈板块漂浮在相对软弱的软流圈之上作欧拉运动.岩石圈与软流圈间存在边界面称为岩石圈-软流圈边界（LAB）.提出一种半解析方法来确定大陆LAB：定义其为有效黏度取极小值所在的深度.该方法得到的LAB,综合考虑了大陆岩石圈地幔介质的热学和流变学性质,故称其为热-流变底部边界.对3个著名克拉通（Kaapvaal,Fennoscandia和Slave）的研究表明：3个克拉通的热-流变底部边界在~250km,与大地电磁测深等其他地球物理方法得到的结果一致.因为热-流变底部边界是从力学的角度来定义的,且提供了岩石圈板块浮于软流圈上运动的极大可能性,因而与板块构造理论的定义更为接近.在该边界及附近,主导的流变机制是湿橄榄石的扩散蠕变,有效黏度极小,差应力小,应变率相对较大.

浅化波浪层流边界层流速分布特性的数值分析

建立了同时考虑波致雷诺应力和时均水平压强梯度影响的二阶波浪边界层数学模型,模型计算得到的浅化波浪层流边界层内瞬时流速剖面、振荡速度幅值和时均流速剖面均与水槽实验数据吻合较好,在此基础上探讨了浅化波浪边界层流速分布特性及其影响机制。随着波浪的浅化变形,边界层内时均流速剖面"底部向岸、上部离岸"的变化特征越来越明显。这是二阶对流项引起的波致雷诺应力和离岸回流引起的时均水平压强梯度共同作用的结果,在床面附近由波致雷诺应力占主导作用并趋于引起向岸流动,在上部区域由时均水平压强梯度占主导作用并趋于引起离岸流动。

基于潮间带现场数据的底部切应力算法对比

底部切应力作为水动力和泥沙输移模型中的关键参数,对底床泥沙起动、侵蚀淤积速率的研究十分重要。目前基于现场实测流速数据计算底部切应力的理论方法有6种:LP-mean法、LP-max法、TKE法、TKE_(W)法、RS法和ID法,这些方法都有其特定的适用条件。河口海岸浅水区域水流和波浪作用复杂,遴选合适的方法计算底部切应力非常重要。本文以江苏大丰斗龙港1个观测点(中值粒径为68.56μm)和上海崇明东滩2个观测点(中值粒径分别为12.89μm和45.02μm)为例,利用声学三维高频流速仪ADV(Acoustic Doppler Velocimetry)和波潮仪(RBR-wave)进行现场数据采集,分别用6种理论计算方法对底部切应力进行计算,结果表明:(1)LP-mean法受到平均流速、仪器探头距离底部床面高度以及波浪强弱的影响,会低估底部切应力;(2)LP-max法和TKE法在流速变化幅度较大、波浪作用明显的潮间带浅水环境会高估底部切应力;(3)TKE_(W)法在TKE法的基础上进行了改进,更适用于波浪作用强烈的潮间带浅水环境底部切应力的计算;(4)RS法计算结果受到波浪影响会产生误差,存在较大波浪时,ID法计算结果比RS法计算结果更加可信,但是在水深条件不足时,ID法会高估底部切应力。

台风期间长江口南槽近底部沉积动力过程

2017年10月在超强台风"兰恩"发生期间,使用三脚架坐底观测系统在长江口南槽进行了15个潮周期的大潮-小潮的连续观测,获得高精度的盐度、波浪和近底部沉积动力数据。分析表明:台风期间的浪流联合作用控制着南槽的沉积动力过程,实测最大波高为2.1 m,波浪对提高底床切应力有显著贡献;波浪存在明显的涨落潮变化,涨潮阶段有效波高是落潮的1.5~2.7倍,导致涨潮时波浪切应力显著大于落潮;台风对南槽的潮流过程和盐淡水混合程度有明显影响,西北风会抑制涨潮流速并增强水体层化;台风使南槽悬沙浓度显著提高,台风后期近底悬沙浓度高达10 kg/m^(3),底床上出现厚度超过1.15 m的浮泥层。

长江口湍流剖面的观测与分析

小尺度湍流过程对河口物质输运与能量交换至关重要。受传统观测方法的限制,河口浅水区域的剖面观测资料至今较为匮乏,进而限制了湍流过程的研究。为此,采用新型5波束声学多普勒流速剖面仪(Nortek Signature 1 000 kHz AD2CP)在长江口开展湍流剖面观测,获取高频、低噪的高质量湍流剖面数据,并与声学多普勒点式流速仪(acoustic doppler velocimeters,ADV)同步观测的数据进行对比。结果表明,通过AD2CP与ADV获得的近底部边界层摩阻流速u*、拖曳系数C_(d)、雷诺应力S_(R)等特征参数基本一致,底摩擦与波浪能量为河口区域湍动能的主要输入源。湍流垂向结构存在显著的非局地平衡,即温盐等斜压作用引起的浮力通量、对流项以及强波浪作用影响的脉动压力做功、黏性输运等因素可能为长江口湍流非局地平衡的主因。

考虑桩土耦合作用时弹性支承桩纵向振动特性分析及应用

从三维轴对称角度对弹性支承桩与均质土耦合作用时的纵向振动特性进行了研究分析。假定桩为竖直弹性均匀截面桩,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼,首先通过对土层进行求解得到其振动位移形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了弹性支承桩在谐和荷载作用下频域响应函数解析解,并利用所得解对土层动力反应特性以及桩土体系的振动特性进行了分析,得到了一些新的结论,最后将该理论解与桩顶实测导纳曲线进行了拟合比较,两者较为一致。

非饱和土中弹性支承桩的扭转振动响应分析

基于已建立的非饱和土中的波动方程,对均质非饱和滞回阻尼土层中的弹性支承桩扭转振动特性进行了分析。首先利用拉普拉斯变换,在拉氏变换域中求得了土体振动位移形式解,依据桩土接触面处的衔接条件将该解耦合进桩身动力平衡方程,求解桩的动力平衡方程,得到了桩顶速度导纳的频域响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶时域响应的半解析解,并分析了主要参数对振动特性的影响。结果表明,桩底支承刚度因子影响较大,土滞回材料阻尼有一定的影响,而土底支承刚度因子基本没有影响。

海岸与陆架沉积:动力过程、全球变化影响和地层记录

文章试图在海岸与陆架沉积的基本动力过程、全球变化影响和地层记录等方面提出新的科学问题和基础研究建议。在基本动力过程研究上,底部边界层过程的垂向尺度和悬沙浓度影响、陆架环流和水团运动的悬沙输运效应、河口与陆架密度流形成机理、大型河流的水下三角洲和斜坡沉积的形成过程、浊流运动特征以及物理海洋过程响应等是值得重视的问题;在全球变化影响方面,需深入研究流域变化和生物礁演化与碳埋藏的关系、沉积环境的系统状况转换及动力过程变异、沉积体系演化的定量模拟方法等问题;在地层记录方面,应加强陆架与海岸沉积体系中全球变化记录的高分辨率信息提取、多种沉积记录信息的整合方法、沉积体系和记录形成的数值模拟、气候变化效应的地层记录模拟、沉积体系的信息分析模型等研究。

长江口与东海陆架泥质沉积动力过程与环境效应:长期数据采集需求

长江入海物质在东海内陆架水域形成了大规模泥质沉积区。内陆架泥区具有细颗粒沉积物和有机质的源/汇双重特征。长江口及邻近海域的泥质沉积过程-产物关系、泥质沉积在生态系统动力学中的作用、泥质沉积碳库增量潜力,是区域性沉积动力学的3个前沿问题,主要研究内容包括长江河口泥区未来演化趋势、泥区沉积物重力流形成条件和过程、泥区沉积物有机质含量与初级生产及低氧水层的关系、泥区消浪作用及其机制、颗粒态有机质衰减曲线(或曲线族)、颗粒态有机质碳库增量潜力等。其研究需要海洋观测站网在底部边界层、水层、新型数据上的支撑,以满足数据分辨率、连续性的要求。底部边界层连续观测将有助于重力流、泥区消浪作用、湍动影响下的沉积物起动曲线族等问题的解决。水层观测将有助于有机质衰减系数的研究,进而获得有机质埋藏率、浅层天然气、有机碳库增量等问题的答案。一些新型数据含有物源、沉积体特征和演化的大量信息,此类数据的获取将依赖于观测技术的突破。

振动台模型试验中地基土域的数值模拟

针对土-结构动力相互作用振动台模型试验中有限地基土域的模拟问题,本文分别采用有限元法和边界元法对地基土模型的侧向人工边界和底部人工边界的合理位置问题进行了计算分析。文中首先采用三维有限元方法,探讨了地基土侧向垂直人工边界不同位置对群桩基础和箱形基础地震反应的影响,提出了侧向人工边界合理位置的具体建议;然后利用层土动力Green函数建立边界元模型,通过对埋入式条形基础的动力反应分析,探讨了底部水平人工边界的合理位置,提出了相应的建议。

S波接收函数方法研究进展

近年来发展起来的S波接收函数方法在探测岩石圈-软流圈边界(LAB)和岩石圈地幔速度结构方面显示了明显优势.本文详细介绍了S波接收函数的提取、S波接收函数偏移成像方法、P波和S波接收函数联合反演方法的相关理论及数据处理流程;概括总结了近年来应用该方法取得的一些重要研究成果;讨论了目前S波接收函数方法遇到的问题和发展前景.