Scour Effect on Dynamic Characteristics and Responses of Offshore Wind Turbines

The monopile foundation is the main form of offshore wind turbine foundation,and its surrounding scouring pit will reduce the constraints of the soil on the piles,which makes wind turbine foundation instability a key issue affecting the structural safety of offshore wind turbines.In previous studies,the rotating rotor and control system are neglected when studying the influence of scour on the offshore wind turbine structure.In this paper,the numerical model of the blade-tower-monopile integrated offshore wind turbine is established,and the influence of scour on the dynamic characteristics of wind turbine is obtained considering parameters,such as blade azimuth,pitch angle,rotor speed,and soil stiffness.After calculating wind load by using the modified Blade Element Momentum theory,the impact of scour on the wind-induced response of a monopile wind turbine is achieved,considering control system and aeroelastic coupling.Therefore,a reference method is proposed for estimating scour depth according to the monopile foundation offshore wind turbine wind-induced response.

潮滩泥沙抗侵能力的微生物作用研究综述

经典海岸动力学理论认为,海岸泥沙的侵蚀特性仅与物理化学因子有关。潮滩上大量微生物及其分泌的黏性物质形成的生物膜,附着泥沙颗粒而展现出的生物稳定效应,是新的研究难点,也是国际前沿和热点问题。目前微生物作用对于潮滩泥沙稳定性影响的研究尚处于发展阶段。结合国内外文献综述了潮滩微生物及其生物膜的分布特征,分析了潮滩微生物对海岸泥沙理化特性及稳定性的贡献及其作用方式,针对研究现状中的不足,对今后的研究方向提出了展望。研究成果可以丰富海岸动力学和泥沙运动力学的知识体系和学科内涵,发展河口海岸生物泥沙研究新方向。

考虑冲刷效应的大跨桥梁地震-风-车-桥耦合振动分析

为研究冲刷效应对地震与风联合作用下大跨桥梁动力响应的影响,在已建立的地震-风-车-桥耦合振动分析模型基础上,利用p-y曲线(p为土阻力,y为变形)折减法考虑不同冲刷深度的桩土荷载-位移关系,根据桩土荷载-位移关系和冲刷深度更新桩基的侧向支撑刚度和长度,从而考虑了冲刷效应对大跨桥梁动力响应的影响,并将模型应用到江顺大桥冲刷效应的分析研究中.研究结果表明:基础冲刷减弱了地基土对结构的侧向约束,从而降低结构的自振频率,侧向振型的自振频率最大降低6.01%;在运营车辆和风荷载作用下,基础冲刷对结构的振动响应影响很小;在地震发生后,基础冲刷会增大结构的横向振动,结构的横向位移响应极值最大增大9.1%,横向位移响应谱也相应增大,而对结构的竖向振动影响很小;基础冲刷可能减小车辆横向加速度的响应,车辆的横向加速度响应极值最大降低7.7%,对车辆的竖向振动影响很小.

城市不同下垫面降雨径流水质监测及特征研究

城市面源污染是仅次于农业面源污染的第二大非点源污染,也是影响城市水生态系统健康的重要原因。随着城市化的快速发展,下垫面改变导致城市河流洪峰增大,河流污染加剧。基于沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地四种典型城市下垫面的5场降雨径流监测试验资料,分析了不同下垫面条件下的降雨径流污染水平、径流水质变化特征和初始冲刷效应。结果表明:(1)4种下垫面的降雨径流总氮质量浓度均属于劣Ⅴ类水;四种下垫面的总磷污染程度相对较轻,沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总磷质量浓度优于Ⅳ类水的频率分别为80%、16%、88.46%和5.56%;沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总悬浮物质量浓度分布范围分别是7~798、15~569、10~871和44~378 mg/L。(2)总氮和总磷的径流污染水平排序为:砖砌路面>绿地>沥青屋面>油毡屋面;总悬浮物的径流污染水平排序为:绿地>砖砌路面>油毡屋面>沥青屋面。(3)中雨情景下各下垫面不同污染指标变化趋势差异较大,而小雨情景下受人为活动影响较大的下垫面的各污染指标浓度较高。(4)各下垫面污染物的初始冲刷强度排序均为:总悬浮物>总磷>总氮;各下垫面的初始冲刷强度排序为:沥青屋面>油毡屋面>砖砌路面>绿地。(5)沥青屋面和油毡屋面降雨径流中的总悬浮物和总磷具有较好的同源性,而砖砌路面降雨径流中的总磷与总氮和总悬浮物都具有较好的同源性。综合而言,各下垫面总氮和总悬浮物的场次降雨径流平均浓度远超于地表水Ⅴ类水质标准,会对城市水体造成污染,可根据不同下垫面的特点采取相应措施来降低污染物浓度。

导流洞复合式出口消能体型的研究与应用

狭窄河谷中高水头、大流量、复杂地质条件的工程前期导流工程面临高速水流泄洪问题,对消能体型要求较高。基于水工物理模型试验对某水利枢纽导流洞出口消能体型进行优化探索,先后提出右岸导向、洞线偏移、左岸分流、强迫消能+左岸分流4种布置方案,通过对水流流态、流速和冲刷特性等水力参数进行测定和比选,最终推荐强迫消能+左岸分流的复合式消能体型,并对推荐体型对大小流量工况的适应性进行导流全过程试验分析。结果表明:复合式消能体型在各工况下消能效率较高,围堰及左岸近岸流速明显降低,分散水流能有效封堵回流,水面波动强度减弱,主流顺利归槽,冲淤情况良好,保护左岸免受冲刷。该复合式消能体型能够满足工程消能及安全稳定要求,可为具有类似特点的导流洞工程的出口设计提供参考。

电杆基础冲刷及防护措施效果的数值分析

目前考虑一定坡度下基础局部冲刷的研究很少,并且缺乏探讨山洪灾害下电杆防护措施的效果研究。基于FLOW-3D软件对电杆基础冲刷进行三维数值模拟,分别对水头(4~6 m)、坡度(10°~20°)、电杆距坡脚距离(6~9 m)和初始流速(1~3 m·s^(-1))4个变量进行了参数敏感性分析,对照工况的水头、坡度、电杆距坡脚距离和初始流速分别设置为4 m、20°、6 m和2 m·s^(-1),通过控制变量法进行试验。随后在对照工况基础上分别设置牺牲桩群和杆前分流板,计算电杆基础的最大冲刷深度和水流冲击电杆的压力,并对比分析2种防护措施的防护效果。结果表明:随着水头、坡度和初始流速的增大及电杆距坡脚距离的减小,电杆基础的最大冲刷深度和水流冲击电杆的压力均随之增大。在水头、坡度、电杆距坡脚距离和初始流速分别取6 m、20°、6 m和3 m·s^(-1)的工况下,电杆基础的最大冲刷深度和水流冲击电杆的压力最大;设置牺牲桩和分流板均可降低水流冲击电杆的压力,其中设置牺牲桩降低冲击压力的幅度更大;设置牺牲桩可有效降低电杆基础的最大冲刷深度,相比之下,设置分流板只能降低电杆前侧基础的冲刷深度,但对电杆后侧基础的防护效果不明显。

考虑冲刷效应的钢筋混凝土拱桥桩基地震易损性分析

冲刷将侵蚀桥梁桩基周围的土体,致其侧向约束减弱,影响桥梁结构的受力行为,这对于拱桥结构而言更甚。鉴于此,以某三跨连拱坦拱桥为例,依托SAP2000软件建立全桥有限元模型,通过m法模拟桩土相互作用,采用曲率延性作为桩基的损伤指标,基于增量动力分析方法,计算出不同地震等级下的曲率响应峰值,进而给出不同冲刷深度时,主拱桩基对应轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全破坏状态的地震易损性曲线。研究表明:在一定冲刷深度范围内,拱桥桩基的损伤概率随冲刷深度增加而加剧;当冲刷深度超过一定值后,桩基的地震损伤概率明显减小。同时,拱桥桩基冲刷深度达到3m后,恒载作用下,主拱承台的顺桥向变形略微增大,其在地震下的位移响应也随PGA增加而非线性增大。可见,桩基础冲刷至一定深度时,静/动力荷载均可能影响桥梁结构的安全性。因此,拱桥桩基需合理考虑桩基防冲刷措施,且抗震设计时需考虑冲刷深度对拱桥桩基地震易损性的影响。

初期雨水污染特征及截流量分析

为研究初期雨水径流污染特征和截留量,对某汇水区的雨水径流污染指标(COD、SS、NH_(4)^(+)-N、TN、TP)进行监测,分析各污染指标随降雨时间的变化特征,并通过无量纲曲线和质量比率曲线判断降雨对该区域的冲刷效应,最后根据无量纲曲线分析结果确定截流量。研究结果表明,初期雨水径流污染与降雨强度和雨前晴天数有关,降雨强度越大,雨前晴天数越多,初期雨水所产生的污染越严重;降雨对于该区域的冲刷效应不仅与降雨强度有关,还受降雨雨型密切影响;经过无量纲曲线分析,确定其截流量为雨水径流体积的45%~50%。

Shear Stress Variation at Scour Hole of Circular Pier

The causes of local scour are generally categorized into flow condition, structure, and riverbed material. A three-dimensional vortex flow generated with the influence of the structure is the main factors of the flow conditions, and the size of the particles is assumed to be the main factor of the riverbed case. Various studies about pier local scour have been carried out by researchers since the 1960s, and a large number of experimental formulas have been suggested. Difficulties were encountered by these past studies, however, in terms of considering the influence of various riverbed materials and scour changes (floods, etc.) on time, with the condition of maximum scour depth. In the case of Korea, especially, scour influenced by various riverbed materials and the frequency of floods have been determined to be very important factors. Therefore, the ultimate purpose of this study on pier scour is to suggest the scour examination method that could consider various riverbed materials and the frequency of floods. In this study, the periodic changes in local scour based on the differences in the diameters of four types of bed materials, and on the hydraulic condition of the initial scour, were determined and compared with those in former studies. Using the results of the comparison, this study aims to determine the changes in the shear-stress around piers for various bed materials through the effect of time on scour depth (S, Smax), the shear-stress around piers, and the particles’ critical shear stress (τc).

S型管束外空气-蒸汽冷凝传热特性数值分析

为追求非能动安全壳热量导出系统换热器更优异的管外空气-蒸汽冷凝传热性能,并为实验及换热器的拓展设计提供相应指导,本文对S型管束外含空气蒸汽冷凝传热特性进行了数值分析。结果表明:计算参数范围内,S型管束能有效强化管束外含空气蒸汽冷凝传热能力,其平均冷凝传热系数为竖直管束的1.3~1.7倍。总结得出迎流面强化传热的管间冲刷效应和抑制传热的空气层堆叠效应的耦合作用机制。多排布置时,减小管排数、增大弯管半径、管间距及采用叉排布置均有利于提高S型管束外含空气蒸汽冷凝传热能力。

水位变化条件下堤防加固效果有限元分析

党水河河道治理工程位于陕西省南部洋县党水河流域,该流域地处山区丘陵与盆地结合区域,支流众多;且受季节性降雨影响,河道土体相对松散,受水流侧蚀强烈,导致河道两侧堤段可能存在边坡失稳的风险。为分析加固后河道两侧堤防的边坡稳定安全,验证除险加固措施的有效性,基于各个区域堤防特点,分别建立加固前、后二维有限元堤防模型,分析季节性降雨影响下河道水位变化、堤防堤身材料性质以及堤脚侧蚀深度等不同因素对堤防边坡稳定安全的影响。结果表明:水位上升时,堤坡稳定安全系数先增大、后减小,最后趋于稳定;水位下降时,堤坡稳定安全系数先减小、后增大,最后趋于稳定。此外,堤防进行除险加固后,堤防稳定安全性显著提高,加固措施有效。研究成果对老旧堤防除险加固设计方案具有指导意义。

基于Green函数法的受冲刷作用单桩横向动力学特性分析

基于横向受荷部分埋置单桩的动力学模型,利用有限差分法实现对土-结构相互作用系统的准确建模,从而获得受冲刷作用单桩更为准确的固有频率;运用Green函数法求解桩基受迫振动的解析解,揭示冲刷作用下单桩横向动力学特性的变化。通过数值计算和参数分析,研究了土体特性、桩身长细比等对受冲刷作用单桩横向动力学特性的影响。结果表明:随冲刷程度加剧,桩基的各阶频率均显著降低。桩基的第一阶频率随桩身长细比增大而减小,而高阶频率的变化规律则较复杂;桩基的各阶频率均随土体弹性模量的增大而增大;若土体弹性模量增大了1倍(4倍),桩基的第一阶频率约增大了20%(40%)。

基于改进Vlasov模型的受冲刷作用单桩动力响应分析

冲刷作用是桩基动承载能力下降、动力失稳和破坏的主要原因。为精确揭示冲刷作用对单桩动力响应的影响,基于改进Vlasov地基模型,利用Hamilton原理建立横向受荷单桩的动力学模型。进而,利用有限差分法求解受冲刷作用单桩的固有频率,运用Green函数法求得单桩受迫振动的解析解。通过数值计算和参数分析,研究了场地特征、桩身长细比等对单桩动力响应的影响。结果表明:基于改进Vlasov地基模型建立的单桩动力学模型可精确预测冲刷作用对其动力学特性的影响;随冲刷程度加剧,桩基的第一阶固有频率显著降低;Vlasov地基模型中剪切系数随冲刷程度加剧而增大;随桩身长细比增大,弹性地基反力系数和剪切系数均减小;土体弹性模量增大1倍,桩基的第一阶固有频率约增大20%。

既有建筑纯地下室结构浮力破损调研分析报告

介绍了既有建筑纯地下室结构在水上浮力的作用下,产生的各种破损情况,分析了上浮破损的主因和避免这种破损的关键,对新建纯地下室结构的抗浮加固设计与施工以及修订《建筑工程抗浮技术标准》JGJ467-2019等具有参考价值。

砂土中考虑冲刷的水平受荷桩等效应变楔方法

冲刷引起桩周土体的损失,研究冲刷效应对桩基水平承载特性的影响非常必要。基于桩前土体楔形受力的应变楔方法可以推导桩侧p-y曲线,进而分析水平受荷桩的受力变形特性,但只适于地表水平的情况。基于冲刷坑坑底以上土体的自重荷载对楔形体的开展范围进行深度等效,建立了冲刷条件下砂土中水平受荷桩的等效应变楔方法。通过与文献对比,验证了该方法的可行性。研究结果表明:冲刷深度增加,冲刷坑底宽度增大及冲刷坡角减小均会降低桩基水平承载性能。与仅考虑冲刷引起的桩侧极限抗力削弱的简化方法相比,本研究得到的桩基最大弯矩偏小。将冲刷坑底以上土层全部剥蚀的做法,忽略了冲刷深度内的土层作用,计算结果会偏于保守。

透水四面体框架群防护特性及其与抛石防护的对比研究

透水四面体框架群能降低其附近的水流流速、耗散水流的能量,起到减速防冲和促淤的效果,同时也可以保护床沙、抑制局部冲刷。不同的抛投密度防护效果也不同,随着抛投密度的增加,其防护效果几乎线性增强,但达到一定限度后将不再增加。抛石防护是使用历史较早、使用频率较高的一种桥墩局部冲刷防护措施。抛石防护就是将所选石料布设于桥墩周围床面上,用以提高桥墩周围河床床面的抗冲能力。抛石防护主要工作原理是保护床沙、增加其起动或扬动流速;增大桥墩附近局部糙率、减小局部流速。本文采用多组水槽清水冲刷试验,对比分析了透水四面体框架群在不同抛投密度条件下的防护效果差异,及其与抛石防护桥墩局部冲刷的最大深度及其整体防护效果的优劣,为四面体框架群和抛石防护的应用提供一些决策所必须的技术参数。

考虑冲刷作用效应桥梁桩基地震易损性分析

冲刷造成桩周土体的剥蚀将会削弱土体对桩基的侧向支撑能力,冲刷效应会对桥梁桩基的地震易损性产生影响,因此有必要对冲刷和地震共同作用下桥梁桩基的易损性进行研究。利用SAP2000软件建立三维桥梁有限元模型,通过非线性时程分析得到桥梁桩基地震响应峰值。采用概率性地震需求分析方法,建立不同冲刷深度下桥梁桩基地震易损性模型,在地震易损性函数假设为对数正态分布函数的基础上,通过回归分析得到概率模型中的参数,进而得到不同冲刷深度下桥梁桩基在不同破坏状态所对应的地震易损性曲线,并分析冲刷深度对桩基破坏概率的影响。研究结果表明:随着冲刷深度的增加,桥梁桩基在地震作用下的破坏概率显著增加。

喷嘴间距对双股平面射流冲刷的影响

喷嘴间距是影响射流冲刷效果的关键参数。利用FLOW-3D软件对双股平面射流的沙床冲刷进行了数值模拟。固定沙床粒径和冲刷靶距,比较了不同喷嘴间距下冲刷沙坑的形状、深度和面积,分析了冲刷形成的流场和浓度分布。研究发现,两股射流之间会形成漩涡,这种漩涡会消耗射流的能量,但同时又促使中间区域沙床的泥沙残留减小。在某一喷嘴间距下冲坑的深度会出现极小值,设计喷射机具时应避免此种布置。同时存在最佳喷嘴间距,可确保冲刷区域无残留浅点条件下冲坑深度和面积达到最大,获得较佳的冲刷效果。

高速气流作用下激光加热金属平板数值模拟

数值模拟研究了高速气流作用下激光加热金属平板温度场。流体控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用两相流模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到了不同气流速度下金属平板的温度分布以及烧蚀形貌。分别使用两相流方法和动网格方法对高速气流作用下激光对金属板的烧蚀效应进行了计算,结果表明,两相流方法与动网格方法都能较好地模拟高速气流作用下激光加热金属平板的温度响应,由于两相流方法能够较全面地模拟对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程,因此能获得比动网格方法更为合理的物理图像。

植被覆盖对砒砂岩地区边坡侵蚀的减流减沙效益

为研究植被覆盖对砒砂岩地区自然边坡坡面侵蚀产流产沙规律的影响,阐明植被覆盖的减流减沙效益,在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的西召沟内选取坡度在10°左右的裸地、草地、柠条、沙棘和油松5种植被覆盖类型的砒砂岩自然边坡,在冲刷流量为200L/h时分别对各植被覆盖边坡进行野外实地放水冲刷试验,对不同植被覆盖类型的砒砂岩自然边坡坡面侵蚀的减流减沙效益进行了研究。结果表明:植被覆盖可明显增加砒砂岩自然边坡水流冲刷的稳定性。不同植被覆盖类型的砒砂岩自然边坡坡面径流强度大小排序为裸地>油松>草地>柠条>沙棘;产沙强度大小排序为裸地>草地>柠条>油松>沙棘。相对于草地、柠条和油松覆盖的坡面,沙棘覆盖的砒砂岩自然边坡减流和减沙效益均最大。