波流共同作用下射流稀释特性的动量积分模拟研究

污水通常以射流的形式向海排放,其在海洋环境水体中的稀释过程是射流与波浪、潮流共同作用的结果。本文基于合理的假设条件,对射流运动的控制方程进行积分处理,结合波流环境下射流的结构特征,引入射流卷吸与拖曳力函数,结合必要的边界条件,形成封闭的控制方程组,建立波流环境下射流动量积分模型。通过与实验资料的对比分析可以看出,该模型可以准确模拟波流环境下射流在近区段的时均运动与稀释过程;相较于单一的横流作用,波流共同作用下射流对周边水体的影响范围更大,射流初始稀释能力更强。基于多个组次的动量积分模拟实验,通过无量纲分析与最小二乘拟合,建立了波流共同作用下射流轨迹中心线位置及最小稀释度的经验公式。相关成果可为排海污水环境影响评估提供快速、准确的分析手段。

波流环境中多孔射流三维数值模拟

建立了波流环境中多孔射流的三维大涡数学模型,探讨了波流共同作用下多孔射流的扩散和稀释机制,分析了孔间距对双孔射流、射流与环境水体相互作用的影响,并给出了最优相对孔间距。模拟结果表明:在波谷相位时刻,由于横流与波浪相互作用强烈,流场内的三维涡旋结构丰富、尺度较大、数目众多,有利于射流与环境水体、射流与射流之间的掺混,这是波流环境比单一横流环境中多孔射流运动扩散效果更佳的主要原因;随着孔间距的增大,双孔射流之间的相互作用慢慢削弱,而射流与环境水体之间的相互作用却在不断增强;双孔射流在孔间距为7.0倍管口直径时扩散效果最好。

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。

波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床,梁单元模拟海底管道,设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程,解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明:海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感;管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小,呈现出线性变化的关系;当波高一定时,管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大,并且波高越小,最大侧向位移随流速增加的速度明显越大;管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小,并且呈现出线性变化的关系。

推摇组合式造波的波流循环水槽设计与研究

针对海工实验波流水槽中的造流装置与造波装置间存在的干扰问题,研发了推摇组合式造波的波流循环水槽,并分别从造流和造波两个方面进行了设计和验证.综合设计循环流道、造流驱动装置及稳流出水口,保障实验区域水流稳定性及可控性;采用倒挂式摇摆结构,结合平行四边形结构运动特点,实现倒挂推摇组合式造波,在保证波形质量的同时减小对流道的影响;建立数学模型分析推块运动与波浪要素间的关系;基于西门子PLC开发实验测试平台测控系统搭建整个实验平台,完成水槽各项性能测试.结果表明,实验平台能够实现最大流速1.5 m∙s^(–1),且同时满足造波周期1~4 s,波高范围0.1~0.6 m的单独造波及所需要的波流海况耦合,能满足相关科教应用要求.

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。

基于大型波流水槽的FL-TENG水动力试验研究

本研究以莲花状摩擦纳米发电装置(FL-TENG)为研究对象。利用大型波流水槽构建FL-TENG模型试验,得到FL-TENG在不同工况下的发电性能和水动力性能。分析FL-TENG的电流和电压等效值以及横摇和缆力幅值随波浪波高、周期、流速以及装置负重等工程变量的变化规律;并从船舶动力学和FL-TENG结构原理的角度出发,分析和讨论呈现该变化规律的原因;最后通过分析不同工况变量的情况下,FL-TENG的发电性能随横摇幅值的变化规律,得到FL-TENG发电性能和横摇幅值的关系。

西堠门公铁两用大桥高桩承台基础波流荷载特性研究

西堠门公铁两用大桥主桥5号桥塔采用高桩承台深水基础,承台为六边形截面,长68 m、宽46.4 m、高10 m,桩长88 m。为了解该跨海桥梁高桩承台深水基础在海洋环境下的波流荷载特性,对高桩承台基础在不同波流条件下所受波流力展开研究。采用CFD软件Flow 3D建立三维波流数值水槽模型,实现波流耦合数值仿真,在通过缩尺模型水槽试验验证可靠的基础上,采用数值仿真计算高桩承台基础不同构件在波流同向、反向及纯波时,不同流速条件下所受波流力,并分析群桩波流力的非均匀特性,提出群桩波流力非均匀性系数γ和桩基系数K以表征群桩波流力特性。结果表明:高桩承台基础在纯波及波流同向时横桥向波流力变化不大,在波流反向时横桥向波流力显著增加,其最大值为纯波条件下最大值的1.13倍;承台所受横桥向波流力在波流同向时随流速增大而减小,在波流反向时一定流速范围内随流速增大而增大;群桩主要受水流力作用,所受作用力随流速增大而增大;群桩波流力非均匀性系数γ最大可达75.9%。

基于大型数值波流水池的海洋油气水下装备水动力测试

为了满足海洋油气水下装备水动力学教学需求,基于流体动力学基本理论以及FLUENT和C语言二次开发创建了大型数值波流水池,验证了其精确性,并开展了海洋油气水下装备水动力学数值试验,探究波流作用下海洋油气水下装备的水动力载荷特征。结果表明,开发的大型数值波流水池可实现波流耦合下的海洋油气水下装备水动力数值试验,并能够以直观、可视化的方式将水动力学结果展现出来,丰富海洋油气水下装备水动力学教学内容,并对培养学生的科学研究能力起到积极作用。

大型波流水槽整流区间长度的优化研究

本文利用OpenFOAM程序基于物理水槽结构设计建立了波浪-水流水槽模型。由于造流出口位于造波推板正前方的水槽底部,在造流出口的下游存在一个波浪-水流相互作用的整流区间,直到波浪-水流场趋于稳定。本文的主要目的是研究各主要影响参数对于整流区间长度的影响,通过结构参数的优化获得最小整流区间长度,以使有效试验段达到最大化。计算分析了波浪-水流场在水槽中各个位置处的时间平均水平速度的垂向分布,并将平均速度与试验段稳定值的偏差为10%的位置点作为整流区间与试验段的分界点。基于数值模拟结果,确定了最优的水流出口角度、水流出口宽度及其与造波推板的距离,同时研究了工作水深、波浪周期和波高以及水流速度对于整流区间长度的影响。

强海况下波流相互作用对有效波高的影响研究

波流相互作用作为非线性科学的前沿课题,一直受到国内外广大学者的关注。本文以2016年第1号超强台风“尼伯特”为例,基于波流耦合模式研究了台风影响期间强海况下波流相互作用对有效波高的影响。研究表明:(1)波流耦合模式可有效提高强海况下海浪的模拟精度;(2)波流相互作用对有效波高的影响与波向和流向之间的夹角关系密切:当波向与流向大致相同时,波流相互作用使有效波高减小;当波向与流向大致相反时,波流相互作用使有效波高增大;当波向与流向之间的夹角越接近90°时,波流相互作用对有效波高的影响越小。波流相互作用对有效波高的影响最大可达1.5 m。

基于三维特征线理论的曲面激波流场反设计方法

激波流场反设计技术是高超声速乘波布局设计领域的核心技术之一。为了克服传统吻切理论在设计全三维曲面激波流场时的缺陷,本文提出了一种基于三维特征线理论的设计方法。该方法构造了一种包含四条马赫线和一条流线的三维基本单元,发展了用于设计曲面激波流场的阵面推进方法及并行加速方法。通过对Euler方程中微分算子进行特征分解,重构了流场的控制方程,并提出了适用于求解该控制方程的Tikhonov-Lagrange拟合法,实现了三维流场的稳定求解。利用提出的设计方法,分别对高马赫数圆锥激波流场、椭圆锥激波流场、小攻角来流下的圆锥激波流场及由Bezier曲面描述的一般性曲面激波流场算例进行了设计,并与数值模拟结果进行了对比。计算结果表明,当前设计方法实现了对横向压力梯度及攻角引起的三维流动效应的合理求解,其中典型截面的壁面压力及马赫数分布与数值模拟结果相比误差分别小于0.3%和1.7%,且具有较高的并行效率。该设计方法拓展了特征线理论在全三维激波流场反设计领域的应用范围,在高超声速全三维乘波布局设计领域具有重要发展前景。

波流-碎冰耦合作用下平台动力定位辅助系泊模型试验研究

为评估某极区半潜平台的作业安全,开展波流-碎冰耦合作用下冰区半潜平台动力定位辅助系泊的模型试验,对比分析风浪流-碎冰载荷联合作用下平台动力定位系统在有、无加速度反馈工况下的运动及系泊响应,验证加速度反馈策略的有效性。提出切换定位点消冰策略消除半潜式平台立柱前浮冰积聚的现象,对比开启消除浮冰功能前,平台系泊系统张力大幅降低,进一步提高了平台的作业安全。

波流作用下高桩码头动力响应试验研究

针对外海工程地质环境,以高桩码头为研究对象,设计波流作用下水槽试验方案,开展波流作用下高桩码头动力响应的试验研究,还原了高桩码头真实的使用环境,探讨高桩码头桩身内部响应差异,分析自由场与桩周土孔压和加速度的响应关系。结果表明:1)高桩码头各桩响应差异明显,顺波流方向桩身所受动水压力逐渐减小,桩身弯矩前排桩大于后排桩,中间桩大于两侧桩;2)面板位移和加速度呈周期性变化,扭转随波流作用逐渐减小;3)土层加速度和孔压随波流传播和埋深增加逐渐减小,群桩的存在会增大土层加速度、减小孔压;4)高桩码头设计时,应适当提高中间桩的强度,重视对表层海床土的加固。研究成果可为高桩码头的设计和维护提供一定的参考与借鉴。

波流耦合作用对圆筒型FPSO运动响应的影响

采用模型试验的方法研究圆筒型浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)在不同实验室模拟海流作用下的运动特征,从频域和时域的角度对FPSO运动响应的关键特征进行分析研究。试验以施加等效流力和水池造流两种方式模拟海流。结果表明:满载和压载吃水变化对FPSO运动响应的影响不大;直接施加等效流力除了对六自由度运动平衡位置产生小幅偏移外,对其余运动无明显影响;在波流耦合作用下,即使约化速度小于锁定区间,纵荡幅值仍然显著增大。由于实际环境可能比试验环境恶劣,因此在设计FPSO时应考虑波流耦合作用。在波流耦合作用下,横向运动趋向于分布在更宽的范围内,且振幅更大。波流耦合也会使横摇和横荡的谱峰频率往低频偏移,其低频运动的平均幅值也在波流耦合作用下显著增大,增幅为2倍左右。

波流共同作用下流速垂线分布及其影响因素分析

大量波流相互作用的实验表明,当波浪顺流传播时,平均水面附近的流速减小,而当波浪逆流传播时,平均水面附近的流速增加。为了从理论上解释这种现象,从垂向二维Navier-Stokes方程出发,推导出波浪、潮流共同作用下的水流控制方程;采用微幅波理论简化控制方程,并引入Grant-Madsen波流边界层模型,得到波流共同作用下的紊动切应力及流速垂线分布表达式。通过和实验结果及数值结果的对比,结果预测值和实测值较为吻合,表明公式能反映波高变化及涡粘系数共同对流速垂线分布的影响,且简单实用。利用该公式分析了波浪顺流、逆流流速变化的原因。

波流作用下单桩基础局部冲刷试验研究

深水基础在服役期间受到长期的波流联合作用,桩周局部冲刷问题是工程界关注的主要问题。通过对不同桩径单桩基础开展的波浪和水流联合作用的模型水槽试验,得到不同水力条件下的桩周局部冲刷深度发展的时程曲线以及最终形成的冲刷坑状态。发现波流联合作用下的冲刷深度发展相较于单独水流作用更加剧烈,小直径桩相比于大直径桩具有更快的冲刷速率,提出了基于Fra的冲刷深度预测公式,并指出预测公式运用于工程实际中时需乘以安全系数1.2,以确保得到的冲刷深度预测是安全可靠的。

非线性波流场和波流载荷的数值模拟

本文用数值模拟的方法研究了大尺度物体上所受的非线性波与水流的共同作用力。非线性水波与水流相互作用场的计算采用有限差分法,引入坐标变换获得了固定计算域,用松弛迭代法求解差分方程。波流联合作用力的计算用时间步进法,每一时刻采用简单格林函数的边界元法求解。入射势采用以上波流场的计算结果,开边界选取离物体足够远,其上的速度势为入射势。

恒定水深船舶数值波流水池构造研究

为研究船舶推进过程中波流相互作用问题,基于不可压缩黏性流N-S方程,采用质量源和动量源方法,建立了恒定水深黏性流船舶数值波流水池,对波流相互作用时流场变化及波形变化进行了研究。通过在水池两端设定稳定入口速度实现水池区域均匀流的生成,同时在水池中间指定区域内添加质量源生成目标波,依靠VOF方法实现自由液面的精确捕捉。模拟的不同工况下波面与速度分布情况与理论结果吻合良好,表明建立的黏性流船舶数值波流水池可以进行波流相互作用数值模拟,并进一步定量分析了水流对波浪参数的影响以及孤立波流相互作用问题。