近底悬浮弹性球声散射机理分析

基于二维周向分解方法进行了总场非轴对称背景下近底目标三维散射声场的数值快速计算,研究了近底悬浮弹性球目标声散射机理。根据海底及目标耦合四路径模型的射线声学叠加原理,给出了近底轴对称目标的二维有限元模型散射远场声压计算表达式。计算得到因界面引入的附加回波共同作用下的弹性球体目标散射频率−角度谱和频率−高度谱,给出了耦合散射声场明暗交替干涉条纹的精确预报公式。通过数值计算及实验分析了目标在掠射角和悬浮高度变化时目标镜反射、弹性目标体内激发的弹性波与海底反射波相互耦合的传播规律及其对总场的影响,讨论了因悬浮高度和掠射角变化产生的目标散射声场强度起伏机理。结果表明,增大掠射角和悬浮高度均会使目标频谱相邻共振峰峰值间距减小,并且利用海底与目标耦合作用声场的干涉条纹计算公式可以较好地对目标散射频谱信息进行预报。

基于动态安全领域的水下机器人近底应急决策

[目的]为了保障复杂未知环境下自主式水下机器人(AUV)的安全,防止意外触底,提出AUV近底动态安全领域模型,建立分级应急响应措施。[方法]建立AUV垂直面运动模型并通过超越试验对比验证,求解主动安全领域及被动安全领域距离,建立AUV近底航行动态安全领域模型,基于该模型设计AUV应急控制系统与应急策略。基于实时纵倾和对底高度状态,计算当前及未来危险系数,通过分配权重系数求得综合危险系数,用于指导AUV应急响应决策。[结果]通过分析湖试定深和定高航行试验,当河床高度相距AUV主动安全领域边界较近时,综合危险系数与河床高度的相关性较强,反之则较弱。结果表明,AUV应急控制系统在起伏地形下作业时能减少应急决策虚警,而在近底航行作业时又能减少应急决策漏警,从而实现在复杂起伏地形下近底航行时的合理应急决策。[结论]基于垂直面运动方程建立的近底安全领域模型与应急响应策略能够用于AUV水下航行近底危险实时预测,可提高AUV水下自主航行的安全性。

近底水流结构对非均匀沙起动影响的研究

通过考察水流结构的改变 ,研究了非均匀沙的起动。由于非均匀泥沙的存在 ,影响水流近底结构 ,改变底部水流对泥沙颗粒的作用。基于泥沙颗粒只在小范围对水流结构有影响的假定 ,推导了以粒径为参变量的水流流速公式。并以该流速公式为基础 ,按照颗粒极限平衡的受力得出了非均匀沙的起动公式。经过用实验资料的验证 ,公式在大部分粒径范围内与实际值比较吻合。

近底水平圆柱振荡绕流的三维数值模拟

在 Honji和 Sarpkaya等人的实验研究中发现 ,绕圆柱的振荡流并不是简单的二维流动 ,而是存在复杂的三维流态。本文用有限元方法求解原始变量的 Navier- Stokes方程 ,模拟了Re数为 392、Kc数为 2时正弦振荡流绕平面附近圆柱的流动。分析了三维流场结构的特点 。

长江口浑浊带近底泥沙浓度变化

基于近底边界层四角架系统观测的水沙过程完整资料,对近底悬浮泥沙浓度的变化及其动力响应关系进行了分析。结果表明:1)近底悬浮泥沙浓度变化过程的特征是多峰性。在一个潮周期内,一般会出现四次明显的悬浮泥沙浓度峰值;2)水体中始终存在一个背景含沙浓度;3)流速的大小并不是决定近底悬浮泥沙浓度大小的唯一决定性因素。潮流加速度、憩流阶段形成的背景泥沙浓度以及床面可供起动的泥沙量同样起重要的作用;4)泥沙浓度变化和动力的响应关系可以归为四类:第一类正响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的增大而增大)、第一类负响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的增大而减小)、第二类负响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的减小而增大)和第二类正响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的减小而减小)。综合分析紊动扩散作用、泥沙的起动和沉降作用及床面泥沙的供应率,对近底层悬浮泥沙浓度和动力响应变化的四个过程进行了详细的解释。

河口海岸近底层潮流速分布模式初步研究

许多现场实测资料表明,潮流近底流速剖面偏离传统的对数分布。虽然偏离值可能不大,但利用对数剖面去计算河底粗糙长度和剪切应力时会引起较大的误差。有研究者的数值试验表明,如果通过流速是对数分布来估计粗糙长度和底部切应力,偏差可能超过100%(Kuo等,1996)。本文从流体动力学原理出发,利用Prandtl混合长度和Von Karman自相似理论,建立河口海岸近底层潮流速分布的对数线性模式。通过对英国大陆南部西Solent水道实测水流垂向分布进行枚举粗糙长度z0结合最小二乘法拟合,并将计算结果与传统的对数模式的结果比较,表明本文模式有以下优点:①精度高,计算值更接近实测值;②所确定的粗糙长度z0和摩阻流速u*的相关系数更高,且两者在相位上更趋一致。

声学多普勒流速剖面仪近底有效流速数据处理初步研究

通过分析声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)的声强垂向剖面分布特征,利用数学极值定理,确定床面边界位置,进而确定出ADCP记录的所有在水中的流速单元,将ADCP处理软件"丢弃"的部分近底流速数据或由于底跟踪丢失而损失的流速数据确定出来。利用"六点法"同时、同高度的电磁海流计流速数据对提取出来的ADCP近底流速数据进行验证。验证结果表明,提取出来的ADCP近底流速数据可信、可用。

与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性

通过工程原型与模型试验资料的类比分析，结合台阶面水流流态特点，对与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性进行了研究。研究结果发现，台阶面坡比及台阶高度对台阶面水流近底流速分布影响很小，近底流速随台阶位置在下游尾水中深度的增加而减小，在尾水面以上，近底流速沿程变化很小，其值仅与堰上水头和宽尾墩形式有关。堰面采用Y型宽尾墩时，台阶面近底流速为21.5-23.5 m/s；采用X型宽尾墩时，近底流速为19.5-21 m/s；无墩时，近底流速为16-19 m/s。

泥沙数学模型近底边界条件Ⅰ:平衡输沙

床面泥沙的上扬是湍流猝发直接作用的结果．本文首先改进作者基于这一基本力学机理所构造的可自由冲刷床面泥沙上扬通量函数，然后利用输沙平衡时泥沙上扬与有效沉降通量相等之条件建立近底含沙量的理论模式．该理论与现有实验数据吻合甚好。

波、流共同作用下的近底泥沙输移及航道骤淤预报

波、流 (包括潮流和风吹流 )共同作用下的输沙机理是波浪轨道速度掀沙与挟沙 ,波浪传质速度、潮流速度和风吹流的合成速度输沙。根据波动水流能量及泥沙运动原理 ,参考窦国仁推导底沙输沙率的方法 ,推导出波浪、潮流和风吹流共同作用下的底沙输沙率公式。对于细颗粒泥沙 ,底沙输沙实质上是近底泥沙 (包括浮泥 )的输移 ;应用本文公式对大风期黄骅港外航道的骤淤进行验证计算 ,得到与天然较符合的结果。另外 ,根据近年的实践 ,改进以前的浮泥输沙公式 ,给出二种输沙的计算模式。本文是作者 1987年以来研究此问题的总结。

水槽近底流速分布与推移质输移特性研究

通过开展水槽试验,利用ADV测速及高速摄像技术采集了近壁区的流速及紊动特征值,分条带计量了推移质输移情况。通过对比横向密布测点的流速结构差异,剖析了近底流速分布的变化特点与两侧的流速结构变异。基于输沙分条带量化观测模式,对推移质输移的空间横向分布特性进行了分析。结果表明:(1)近底流速的相对脉动强度呈现中间区域最大并向两侧递减的趋势,在临近侧壁处有突变波动现象,这与近底流速的横向分布在侧壁附近的突变特点相互对应;(2)推移质输移在横向分布上不均匀,整体呈从中间向两侧逐渐递减的趋势,80%的区域基本完成了断面的总输沙量,近侧壁区域输沙受边壁影响较明显;(3)近底流速横向分布、近底水流脉动强度与相对输沙强度的横向分布存在响应协同性。

泥沙数学模型近底边界条件Ⅱ:非平衡输沙

由基于湍流猝发的可自由冲刷床面泥沙上扬通量函数，直接构造床面可自由冲刷时近底含沙量Ｎｅｕｍａｎ边界条件．考虑刚性床面上泥沙不一定能得到充分补给之事实，给出相应的近底边界条件提法．应用扩散理论研究悬移质泥沙的非平衡输移．对典型的纯冲刷和纯淤积过程的数值模拟结果与控制条件下的水槽实验资料吻合良好．本文给出的近底边界条件具有健全的物理基础。

悬移质近底参考面平衡浓度的一个计算公式——对Lane与Kalinske模式的改进

根据推移质与床沙交换、悬移质主要与推移质交换的物理背景,采用Einstein床面泥沙的起动概念及推移运动概率函数表征床面泥沙起动及推移运动,采用Lane与Kalinske提出的泥沙因水流垂向脉动而进入悬浮运动的模式表征推移质进入悬浮运动的过程,建议一个床面层高度,建立了一个悬移质近底平衡浓度的一个计算公式。公式的参数由实测资料确定,公式经过了独立资料的检验,计算精度在可以接受的范围内。基于本文建议的床面层高度及参考面平衡浓度公式,建立了悬移质输沙率计算方法,取得了满意的输沙率计算精度。对于细颗粒泥沙的悬移质输沙率计算,本文公式克服了Einstein方法的缺陷。

近底泥沙通量的处理方法及适用性

为了正确理解悬沙运动方程底边界条件即近底泥沙通量的诸多处理方法的物理意义和适用性,避免泥沙理论分析和数值计算带来的偏差,归纳总结了近底泥沙通量的各种表达式,对它们的适用性和合理性进行分析.结果表明:以挟沙力、切应力、参考浓度或临界速度等方法处理近底泥沙通量,表达形式虽然多样,或将临界切应力换成对应的临界速度表示,或加入一些修正系数,但其物理本质不变,只是为了处理一些具体问题而做的简化或修正;挟沙力方法和切应力方法的经典形式用于描述近底泥沙通量更具一般性,这2种方法描述的物理过程有差别.

长江口徐六泾断面近底悬沙测验及影响分析

近底悬沙浓度的确定对于研究床面泥沙的起动和输移具有十分重要的意义。基于双尾翼近底悬沙采样系统,选择徐六泾断面浅滩和深槽,在洪、枯季水文监测期间同步采集了距河床50 cm和10 cm的水样。现场实测资料分析表明:①浅滩和深槽含沙量垂向分布规律不同,浅滩泥沙粒径较粗且越靠近河床泥沙越粗,含沙量垂向分布呈“L”形,中上层水体含沙量变化较小,越靠近河床含沙量变化越大;深槽泥沙粒径较细,含沙量垂向分布较为均匀。②近底悬沙对浅滩和深槽的测验成果影响程度不同,计入近底悬沙后,浅滩处平均含沙量平均增幅为7.37%,深槽处平均增幅小于1%。③近底悬沙对测验成果的影响程度在时间尺度上有差异,计入近底悬沙后,含沙量一般情况下是增大的,但增幅不同,枯季大于洪季,落潮大于涨潮,大潮大于小潮。

挟沙水流近底流速试验研究及随机相位分析

在动床挟沙水流条件下,测量了不同流量及不同弯道情况下近底流速瞬时分布的情况,将时域信号通过傅里叶变换转化为频域信号,并运用数理统计的方法对近底流速频域内随机相位的分布进行了研究。结果表明:随机相位服从正态分布。

近底管线绕流及涡激振动的二维有限元数值模拟

应用有限元方法通过求解原始变量的二维不可压粘性流体的N-S方程和管线振动方程,数值模拟了近底管线的绕流及漩涡脱落引起的管线振动,采用ALE方法解决因管线振动引起的动网格问题和流固耦合问题。数值模拟了雷诺数90<Re<150,孔隙比0.3<e/D<8之间的管线动态响应特征,得到了管线在不同间隙比和雷诺数情况下的振动曲线和升阻力系数曲线,分析了振动—间隙比—升阻力曲线之间的关系。同时还得到了孔隙比对漩涡脱落频率的影响。计算中边界层厚度取0.8D,圆柱振动被简化为质量—弹簧—阻尼系统。

近底流速试验研究及随机相位分布

在明渠清水条件下,测量不同水深情况下近底流速瞬时分布,得知近底流速符合平稳随机过程。依据大量实测试验数据,利用傅立叶变换将时域内流速脉动信号转化到频域内进行谱分析,应用统计分析发现随机相位角服从正态分布,为近底流速谱的建立奠定基础。

振荡流场中近底水平圆管升力过程的数值模拟

针对由于初始条件与边界条件的不同 ,振荡流场中水平圆管上的升力具有随机性 ,因此升力时间过程的模拟比较困难的特点 ,提出了采用傅氏级数法模拟升力时间过程线的方法 ,取得较好效果 ,且方法简便易行 ,便于实际应用。

长江口北槽近底高质量浓度泥沙形成关键机制分析

通过对长江口北槽水文泥沙观测数据的分析,并结合前人的研究成果,定性地确定了制约沉降及紊动抑制作用在长江口近底高质量浓度悬浮泥沙的形成中有重要的作用;通过一个基于FVCOM的一维垂向泥沙模型定量地确定了制约沉降对水体含沙量浓度的增加作用,但紊动抑制显著地改变了泥沙浓度的垂向结构,增强了近底层的水体层化,从而形成了较为明显的近底高质量浓度泥沙悬浮;与实测数据的对比结果显示,制约沉降与紊动抑制作用的联合作用对近底高质量浓度悬浮泥沙模拟结果有显著的改善作用,模型能够较好地模拟大潮期间的长江口近底高质量浓度泥沙垂向剖面过程。