波流作用下大直径淹没圆柱局部冲刷试验研究

水下大直径淹没圆柱在波流共同作用下的冲刷特性与非淹没情况有较大差别。在波流水槽中开展局部冲刷试验,将大直径淹没圆柱模型安装在中值粒径0.22 mm的平底沙床内,改变波浪波高和周期、水流流速和方向、圆柱淹没率,测量圆柱周围流速变化,记录柱周冲深发展历时,运用激光地形仪测量冲刷坑的地形形态,分析了淹没率S r和相对高度h c/D对准平衡冲深的影响。结果表明,相同入射波流条件下,随相对柱高h c/D降低,冲刷发展速率、冲坑半径和深度都随之减小。当相对柱高h c/D>1时,冲深随柱高增长速率较快直至达到临界值。准平衡冲刷坑呈“倒勺状”,沿圆柱左右两边呈对称分布,柱前呈半环状;圆柱正后方淤积成“马鞍状”沙丘。

波流作用下淹没圆柱局部冲深影响因素分析

淹没圆柱在海洋工程中运用广泛,局部冲刷对此类建筑物的安全有较大影响。为掌握该类型建筑物在波流作用下的冲刷特性,在波流水槽内开展了一系列试验研究。试验将圆柱模型安装在波流水槽中部的沙槽内,沙槽内铺设中值粒径0.22 mm的无黏性沙,形成平底海床。试验中圆柱处于淹没情况,改变入射波流条件,观测多种波流作用下,不同高度淹没圆柱周围的局部冲刷深度发展过程,分析了多种无量纲参数对局部冲刷深度的影响。结果表明:当KC数不变时,冲刷深度s/D随着相对流速Ucw和Fr的增大而增大,当Fr增大到一定程度时(Fr>0.80),冲刷深度s/D趋于稳定;Ucw在固定范围内时,冲刷深度s/D随KC数的增加而增加,增长速率逐渐变慢;引入淹没因子Ks,得到了淹没圆柱与非淹没圆柱的冲刷深度计算关系式。

孤立波作用下水下淹没圆柱桩周围冲刷试验研究

通过波浪水槽试验,开展孤立波作用下水下淹没圆柱桩周围局部冲刷特性研究,对淹没式圆柱桩周围冲刷发展过程进行了分析,探讨入射波高、相对桩高及相对淹没深度对局部冲刷的影响。结果表明桩前最大冲刷深度受相对桩高影响较小,而桩后最大冲刷深度随相对桩高增大而增大。

波浪对淹没垂直圆柱绕射解析解

利用对速度势的分离变量及匹配特征函数展开法,建立波浪对淹没垂直圆柱绕射问题的解析解,通过与边界元方法的对比验证了本方法的正确性,并通过对特征展开项项数及圆柱相对厚度的收敛性测试证明了该方法对较薄圆盘及零厚度圆盘波浪力计算的适用性。基于上述模型,考虑不同淹没深度与相对厚度对圆柱作用力影响,结果表明,圆柱所受到的最大波浪力并不总是随着淹没深度的增大而减小,而圆柱厚度对波浪力的影响则较为复杂,在不同波数范围显示出不同的特性。

淹没垂直圆柱横摇问题的解析研究

应用匹配特征函数展开法建立了有限水深淹没垂直圆柱横摇问题的解析解,通过与边界元方法的对比验证了该方法的正确性。基于上述模型,对淹没圆柱水动力系数进行了研究,结果表明,在大多数频率下,淹没圆柱的附加质量总是大于同样大小的漂浮圆柱,且在高频段近似为漂浮圆柱附加质量的两倍。当淹没深度较大时,圆柱附加质量趋向于常数,辐射阻尼趋向于零。当水深较浅时,淹没圆柱附加质量随着水深的增加而减小,辐射阻尼受水深的影响则始终不显著。

非淹没圆柱群局部水流场特征分析

本文基于带自由表面水动力学数值模型,采用双方程k-ω的剪切应力输运(SST)湍流模式,对非淹没刚性圆柱群水流场进行了三维数值模拟。通过与实验数据的对比分析,验证了模型的有效性及模拟精度。通过圆柱群绕流场特征的模拟分析,探究了不同圆柱雷诺数和固体体积分数对柱群内剪切层渗入长度(δ)、柱群后尾流区剪切层长度以及床面应力空间分布特征的影响。

淹没垂直圆柱垂荡问题的解析研究

利用匹配特征函数展开法进行了有限水深淹没垂直圆柱垂荡辐射问题的解析解,研究了淹没深度、相对厚度及水深对圆柱水动力系数的影响,结果表明,在大多数频率下,淹没圆柱的附加质量总是大于同样大小的漂浮圆柱,且在高频段近似为漂浮圆柱附加质量的两倍。当淹没深度较大时,圆柱附加质量趋向于常数,辐射阻尼趋向于零。圆柱厚度对水动力系数的影响较为复杂,在不同的频率范围内呈现不同的特征。当水深较浅时,淹没圆柱附加质量随着水深的增加而减小,辐射阻尼受水深的影响则始终不显著。

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验研究

淹没垂直圆柱虽在各工程领域中均有广泛的实际应用,但还没有关于其绕流场内水流结构及紊流特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量,分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度,研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律,揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。研究结果表明:增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度,使得垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱,也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱,降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。

波浪对淹没水平圆柱作用的非线性数值模拟

采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法建立了模拟波浪对淹没水平圆柱作用的二维完全非线性数值模型,运用两点分离法得到淹没潜体后的各个组成波的波浪形态。通过与已发表试验数据和解析解的对比,验证了本文模型的正确性。进而开展数值试验研究分析得到强非线性条件下淹没圆柱后高阶自由波和锁定波与入射波参数、淹没水深等因素的变化规律。

非淹没双直立圆柱系统波浪爬升的数值模拟

波浪爬升是近海构筑物和海洋平台结构设计中的重要参数。全面掌握波浪的爬升特性有利于结构的安全保证和优化。采用有限元方法建立了求解Berkhoff缓坡方程的数值模型,并计算了非淹没单个直立圆柱周围的波高分布,计算结果与解析解吻合很好。以非淹没双直立圆柱为研究对象,探讨了圆柱间距对波浪爬升的影响。结果表明:上游圆柱周围的波高分布曲线波动较大,但最大相对波高和最小相对波高的发生位置基本与单个圆柱的情况相同;当圆柱间距为1/4波长的奇数倍时,最小相对波高明显减小,圆柱肩部出现第二峰值;而当圆柱间距为1/4波长的偶数倍时,最小相对波高则明显增加,圆柱肩部出现第二谷值。下游圆柱周围的波高分布曲线与单个圆柱的情况相似,但波高相对较小。

波浪对非淹没竖直圆柱作用的数值分析

基于雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)和连续方程,结合k-ω湍流模型,建立波浪与非淹没竖直圆柱相互作用的三维数值模型.在验证波浪对单个竖直圆柱波浪力和自由液面高程的基础上,着重研究圆柱间距S对两串联竖直圆柱波浪力与自由液面高程的影响.计算结果表明,圆柱间距S较大时(S=4 D),两串联圆柱中上游圆柱波浪力与单圆柱波浪力的演化曲线较为吻合;圆柱间距S较小(S=0.5 D)时,上游圆柱背风面自由液面高程明显抬升,使得上游圆柱波浪力较单圆柱大,同时上游圆柱侧方自由液面高程受反射波的影响较大.

水平圆柱强迫振荡水动力特性的数值模拟

为了研究处于自由面以下完全淹没状态的水平圆柱在强迫振荡运动时的水动力特性,采用基于黏性流理论建立的二维两相流数值波浪水槽模型,对不同液相黏性条件下强迫振荡水平圆柱的受力进行计算,并对压力、黏性切力和圆柱运动之间的相位关系特征进行对比和分析,进而结合流场分析解释黏性影响机理。结果表明:黏性切力和涡旋压力对流体作用力的贡献差别是导致不同流体黏性下流体作用力结果差异的主要原因;涡旋运动相对圆柱振荡运动的滞后性受流体黏性影响显著,导致不同流体黏性下压力之间有相位差;流体水质点相对于圆柱的滞后运动在大黏性流体中更为显著,这导致了其黏性切力的相位超前现象。

波浪对非淹没水平圆柱作用的数值分析

该文选取URANS方程为控制方程结合k-?湍流模型,采用Level-Set方法追踪自由面,建立一种用于研究波浪与非淹没水平圆柱作用问题的二维数值模型。运用该数值模型对较小KC数条件下波浪与单个以及两个串联非淹没水平圆柱作用问题进行深入的探讨。结果表明,在单个非淹没水平圆柱工况中,不同波幅以及淹没深度条件下数值模型对水平圆柱竖直方向波浪力随时间的演化曲线做了准确预测,并揭示了波幅以及淹没深度对圆柱波浪力的影响规律;在两个串联非淹没水平圆柱工况中,圆柱间距对上游圆柱波浪力的影响较为明显:圆柱间距较大时,上游圆柱波浪力的大小以及演化规律与单个圆柱工况相近;而圆柱间距较小时,上游圆柱波浪力负向峰值明显增加。