青岛浒苔成因动力因素的遥感验证

表层海洋流动是海洋科学研究中至关重要的环境特征,海洋表层流场直接影响浮游生物的漂移过程。利用遥感手段分析了青岛海域海表流场的时空变化情况,通过监测海流动态,揭示了海洋生态系统中浮游生物运动的关键特征。研究发现海洋表层流场的变化对浮游生物的漂移路径和分布具有显著影响。研究结果初步验证了青岛海域浒苔源自连云港海域的可能性,拓展了对海洋表层流场与浒苔传输关系的认知,为揭示海洋环境中流场与浮游生物之间复杂交互关系提供了新视角。

高海况下客滚船风浪阻力和功率航速预报

高海况下风浪阻力对客滚船航速预报的准确性有很大影响。对此,以某型客滚船为例,分别采用二维方法和三维方法预报船舶升沉和纵摇运动,采用全浪向波浪增阻预报方法SNNM计算波浪增阻,在此基础上开展高海况下的功率航速预报,并与模型试验结果进行对比分析。研究表明:当航速较低时,采用二维方法与三维方法预报的升沉运动结果的精度接近,随着速度的增加,二者的差异变大;当航速较高时,采用三维方法预报的纵摇结果比试验结果大,采用二维方法预报的纵摇结果比试验结果小;长波范围内采用SNNM方法预报的波浪增阻偏小,当谱峰周期为7 s和9 s时,采用SNNM方法近似预报的功率与试验值较为接近,但当谱峰周期变大时,近似预报结果偏小;整体来看,采用SNNM方法得到的航速预报值比试验值大。

旋转水力提升多金属结核运动特性数值模拟

采用CFD-DEM耦合方法对多金属结核提升进行模拟,研究了垂直管道中不同旋转流场旋流比对水力提升多金属结核输运特性的影响。结果表明,随着旋转流场旋流比增大,旋转强度显著增强,流体流速最大值增大,颗粒群轴向平均速度增大。旋转流场的旋转强度明显影响管道内颗粒的速度分布:速度大的颗粒逐步分布在管壁周围,速度较小的颗粒分布在管道中心处。旋转流场可降低颗粒群局部浓度,有利于降低因颗粒滞留效应引起局部浓度升高造成的输送管堵塞风险。

横向振动立管上升流中球形单颗粒运动特征

深海采矿过程中,输送矿石颗粒的立管在复杂海洋环境作用下会产生运动响应,这会对管道中矿石颗粒的运动行为产生重要影响,从而影响矿石提升效率,甚至可能危及整个采矿系统的安全.结合颗粒运动方程和软球碰撞模型,对横向振动立管中的球形单颗粒运动特征进行研究,主要分析了立管振动参数、颗粒与流体密度比以及颗粒与立管直径比对立管中单颗粒运动的影响.研究表明,随振动频率和幅度、颗粒与流体密度比以及颗粒与立管直径比的增加,颗粒垂向平均速度减小.颗粒与管壁之间无碰撞发生时,颗粒与立管之间横向相对速度幅值、颗粒运动与立管之间横向速度的相位差以及颗粒垂向速度波动幅值,与立管振动的频率和振幅、颗粒与流体密度比以及颗粒与立管直径比呈正相关.然而,当颗粒与立管之间有碰撞发生时,颗粒与立管间的横向速度的相位差减小,而颗粒垂向速度波动幅值显著增大.另外,随着密度比和直径比的增大,颗粒与管壁之间更容易发生碰撞,而碰撞会减弱密度比和直径比对颗粒横向速度和垂向速度的影响.

强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫振动管道中的粗颗粒动力学特性以及管内流场变化特性.其中,将管道的振动简化为一维径向振动,将实际工况中的柔性管道假定为刚体管道.研究表明,在管道振动过程中,大颗粒相比小颗粒的惯性更大,而流体也需要更大的速度产生更大的曳力推动大颗粒,导致更大的轴向流场速度以及更大的轴向颗粒速度.随着粒径增大,大颗粒对流场的扰动更大,导致流体与壁面间的作用力更大;并且大颗粒与壁面间的碰撞和摩擦作用力更大,因此壁面剪应力增大.同时,大颗粒与流体间摩擦损耗的能量也更大.因此管道需要更大的能量将其输运,导致振动管道内的压降增加.增大管道振动频率与振幅会导致颗粒在截面上的分布更加分散,同时对流场扰动更大,然而对轴向流场速度的影响相对较小.增大进料浓度使颗粒间、颗粒与流场间的作用更加频繁,导致颗粒分布发生变化,并导致更大的轴向流场速度和湍动能.

考虑盐度影响的深水水合物地层钻井井筒流动规律

水合物分解的气-液-固多相流动问题是深水水合物地层钻井面临的一个新问题。考虑钻进过程中井筒内的多相流动、传热和水合物分解三者之间相互耦合关系,建立了考虑海水盐度影响的含水合物相变气-液-固多相非等温瞬态流动模型。采用室内试验数据与现场实测数据验证了模型的准确性。案例井计算结果表明:随着海水盐度的增加,井筒内水合物分解区域和分解速率逐渐增大。同时,海水盐度越高,钻井过程中井底压力降低的幅度越大,井口气体含量也越高。井口回压和注入流体温度可以有效控制井筒内水合物的分解量。为了保证井口安全,降低水合物分解速率,井口回压应大于4.5 MPa。当入口流体温度在15~30℃范围内时,海水盐度应控制在0.8%~1.9%之间,这将保证井口最大气相体积分数小于10%。研究结果可为深水水合物的开采提供理论支撑。

履齿结构对深海沉积物扰动分析

为探究集矿车在行进过程中履带运动对深海沉积物的扰动机理,并建立适用于机械结构与沉积物作用的仿真模型,结合水槽实验和模拟分析,设定对照试验,研究机械结构运动对沉积物的扰动作用和羽状流扩散现象。实验与仿真结果表明:偏置一字形履齿低扰动性能较好,扰动最大速度在1.5 m/s以下;扰动源的下陷深度和转速对水槽中的浊度变化有显著影响,浊度计最大和最小测量值为4 381.3 mg/L和3 073.3 mg/L,相差29.9%,峰值时间相差超过50%。搭建欧拉多相流模型,设定参数和边界条件,仿真与试验结果接近,可用于后续开展小范围内的机械扰动研究。

一种刺参增殖礁结构设计及流场效应研究

人工鱼礁是一种设置在水中的人工构筑物,通过人工鱼礁的建设,能够为鱼类等水生生物营造良好的生态环境,从而达到保护和增殖渔业资源的目的。根据刺参自身特点和生长习性,设计一种刺参增殖礁作为人工附着基,通过对刺参增殖礁的水动力学试验,分析刺参增殖礁单体结构对礁体周围流场效应的影响,得出在相同入流速度的情况下刺参增殖礁的受力情况;根据模拟结果,计算出刺参增殖礁上升流体积和背涡流体积,同时对刺参增殖鱼礁单体稳定性进行探讨。结果表明:刺参增殖鱼礁,由于孔径小、间隙密,上升流区和背涡流区的体积均较大。当入流流速为0.5 m/s时,刺参增殖鱼礁抗滑移系数和抗倾覆系数均大于1,表明其具有良好的安全性能。运用水动力模型模拟鱼礁区的流场效应,优化鱼礁结构设计,促进鱼礁的生物诱集和增殖效应最大化,可以为鱼礁区的建设提供理论指导和技术支持。

深海取水管在内外流作用下的动力性能

深海取水管道是一种大长细比、高内流流速的悬垂吸液管道,模拟取水管的真实工作状态,研究在内外流作用下的管道动力性能十分必要。基于小尺度模型试验,研究内外流对管道的动力特性影响。结果表明:大部分工况下,内外流共同作用引起的管道振动幅度和频率主要受外流影响;内外流共同作用下,内流流速增加会导致位移振动主频略微降低,顶部张力增加,管道应变响应减小,但其对振动的应变主导阶数影响较小;管道顶部连接方式、底部配重、浸没水深都会影响管道在内外流作用下的涡激振动特性,即顶部铰接相较于固定连接更容易激发管道涡激振动横流向的高阶模态振动,底部配重在小外流流速下会使管道振动幅值降低,在大外流流速下会使管道振动幅值增大,激发横流向高阶主导频率跃迁,浸没水深增加会使管道振动主导频率降低。研究成果可为实际工程项目中深海取水管的设计提供参考依据。

深海采矿水下巡检ROV水动力特性分析

为了高效稳定开采深海矿物资源,需要对深海采矿系统水下作业进行监测、维护。按照实际应用需要,自主研制了一款辅助海底多金属结核开采的水下巡检机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)。本文基于计算流体动力学方法,研究了ROV在进退和升沉两种主要运动模式下的阻力、表面压强及流场流线特点,同时采用滑移网格方法对螺旋桨仿真,分析了螺旋桨转动对ROV水动力性能的影响。结果表明:ROV在前进和下潜时具有较好的水动力性能,螺旋桨转动对ROV腔体内部流场及尾流区域产生梳流导流作用,减小了ROV负压区及航行阻力,后退和上升时螺旋桨转动则加剧内部流场紊乱,恶化了ROV水动力性能。

基于两相流流固耦合方法的两栖火炮水上射击稳定性分析

两栖火炮水上射击稳定性是一个涉及两种流场与两栖火炮相互作用的复杂问题。此前的研究往往将该问题中的流场作用简化为弹簧-扭簧系统,这样的简化模型会导致两栖火炮水上射击稳定性的预测精确度不足。文章通过两相流流固耦合方法详细研究了两栖火炮受到海面风浪作用产生的摇荡。仿真结果表明,两栖火炮在3、4级风浪环境中具有较好的稳定性,同等级风浪环境下不同的车体朝向角将对两栖火炮稳定性产生较大影响。

秦皇岛市主要入海河流污染物浓度及入海通量分析

入海河流是陆源污染物入海的重要途径。石河、洋河、汤河、戴河和饮马河是秦皇岛市的5条主要入海河流,其河口均布设监测断面。本文结合2018—2020年河口监测断面数据,分析5条入海河流的污染物浓度月际变化和入海通量年际变化。监测结果显示,2020年,6—8月氨氮浓度整体略高于其他月份;枯水期总磷(Total Phosphorus,TP)浓度整体小于丰水期,枯水期总氮(Total Nitrogen,TN)浓度总体大于丰水期。从污染物入海通量来看,TN和化学需氧量(COD_(Cr))是排放量偏高的入海污染物。在5条入海河流中,洋河贡献59.7%的COD_(Cr)、48.5%的TP、54.6%的TN和42.1%的氟化物。河流水量是影响污染物总量的主要因素。

基于空间要素流动的海岸带规划响应机制与路径

海岸带是具有陆海双重属性的特殊地理区域,通过要素跨系统、多维度的流动实现空间演变。深入掌握海岸带空间演变规律,对于推动陆海协调发展具有重大意义。本文引入“空间要素流动”相关理论,聚焦陆海统筹背景下的海岸带空间要素流动概念,探索其流动特征,落实于规划与管理。首先,概述了陆海统筹研究背景,并梳理了“流空间”、区域要素流动以及地理流研究等相关理论;其次,从概念界定、要素分类和空间格局等方面,阐述了海岸带空间要素流动的理念内涵及其空间格局分布;最后,基于流动耦合特点,探讨海岸带规划响应机制和路径,旨在为实现陆海协调发展提供理论支撑。

跨海大桥沉井水中沉放流场及水流力模拟研究

水中沉放是设置沉井施工的重要环节,明晰沉放过程中周围流场结构及受力特性是开展沉井沉放施工的基本前提。文章以西堠门公铁两用跨海大桥#4墩嵌入式设置沉井为研究对象,通过采用数值模拟方法分析了沉井基坑开挖对周围流场的影响,研究了不同沉深及不同流速条件下的沉井内外流场形态与所受水流力,获得了绕流特征与沉井受力随沉深及流速的变化规律。结果表明:受沉井形态及基坑地形影响,三维绕流特性较为显著;入水沉放深度对竖向绕流形态、紊动强度等参量具有显著影响;不同来流速度下的绕流形态、流场速度分布规律、相对紊动强度较为一致;受尾涡脱落影响,沉井所受横、纵向水流力均会伴随一定幅值的波动,均值与沉深、来流速度具有较好的正相关关系;基坑的存在降低了沉井竖向阻塞作用,会减小沉井所受水流力。

基于Burger’s蠕变模型的采矿车行驶海底稀软底质下陷研究

在陆地矿产资源日渐枯竭的今天,深海矿产资源已成为全球各个国家争相开采与利用的焦点,深海采矿车是实现深海矿产资源开采的重要装备。海底稀软底质是一种承载力与抗剪强度极低的特殊底质,在采矿作业中,深海稀软底质的物理力学特性直接影响采矿车行走的稳定性。文章选取Burger’s接触模型作为深海稀软底质的本构模型,对某海域海底稀软原状土开展室内三轴试验,通过PFC3D颗粒流数值模拟实验对比实际三轴试验,对稀软底质的Burger’s蠕变模型进行参数标定,同时依据标定结果改变相应参数,针对5种不同底质条件的工况,建立海底采矿车的数字仿真模型,模拟各工况下采矿车在不同行驶速度时的下陷深度。结果显示,下陷深度会随行驶速度呈非线性变化,在一定范围内随着行驶速度的增大而减少并逐渐趋于稳定。同时结果还表明,该区域海底稀软底质具有更高的黏粒含量(38.1%~48.4%)、含水率(88.13%~137.79%)和压缩性(压缩系数:1.86~3.73 MPa^(-1),压缩模量:1.26~2.13 MPa),具有更低的密度(1.3~1.5 g/cm^(3))和强度特性(贯入阻力:0.19~1.32 N,黏聚力:3.7~6.9 kPa,内摩擦角:2.4°~3.9°),即承载力较低,蠕变性能较强。本研究在宏观上做了一般的探讨,为类似参数的稀软底质下海底采矿车的运行安全控制提供了较好借鉴与依据。

船模水动力噪声及孔腔激励载荷试验与计算对比分析

开展某远洋客船光体船模水下噪声测试及带孔腔船模的水动力激励载荷测试,并进行孔腔处稳态和瞬态流场计算,孔腔处脉动压力频谱计算曲线与试验曲线吻合较好。孔腔脉动压力线谱频率测试值与经验公式频率计算值对比良好,说明该公式在一定情况下适用于船体条形格栅孔腔线谱频率的预估。采用统计能量法分析法计算光体船模中高频流激噪声,将流体激励以频率-波数功率谱的形式施加,可大大减少流场计算工作量,适合于工程快速预估。在工程一般范围内,阻尼损耗因子取值可导致噪声结果相差5.5 dB,说明阻尼损耗因子的取值会较大影响计算结果,有必要形成材料损耗因子随频率变化的数据库,为船舶噪声快速计算提供支撑。

鉴江流域防洪薄弱环节分析及防洪体系优化建议

鉴江是广东省典型的独流入海河流,在气候变化背景下,近年洪水防御薄弱环节越发凸显。基于对“22·7”和“23·10”等洪水的分析,从工程措施及非工程措施两方面评估鉴江流域防洪能力,揭示现有防洪体系在应对极端天气和洪涝灾害时的不足之处,提出“上游增蓄、中游强挡、下游扩泄”的防洪工程布局优化建议和相关防御对策措施。

南黄海中部隆起一个新的大地热流值:CSDP-2井热流测量结果

大地热流值,是岩石圈、地壳和盆地等各种尺度的构造演化和地球动力学研究的重要参数.南黄海是东亚大陆边缘的重要组成部分,但与东海陆架、冲绳海槽、渤海湾盆地等的大地热流研究相比,其研究程度较低,只有10个大地热流测点且大部分位于南部坳陷,不能很好地表征南黄海的大地热流特征.系统和准确的地温和热导率测量,是获得可靠大地热流值的基础.南黄海中部隆起之上的大陆架科学钻探CSDP-2井,全取心钻进2843.18 m,2016年先后5次系统测温,给了我们一个绝佳的系统研究其大地热流的机会.对井中295块沉积物或沉积岩进行了热导率测量,并进行了温度压力等校正.根据热导率的垂向分布特征将全井分为6个井段,地温梯度分别为31.86、24.38、23.54、18.09、18.21和20.18℃·km^(-1),平均23.46℃·km^(-1),热导率则分别为1.776、2.765、3.182、3.623、4.184和2.825 W·(m·K)^(-1),大地热流分别为56.5、67.4、74.9、65.5、76.2和57.0 mW·m^(-2).全井平均大地热流为68.9 mW·m^(-2),考虑地层裂缝孔隙影响后,大地热流校正为66.7 mW·m^(-2).这个大地热流值,比北部坳陷稍高而比南部坳陷稍低,是中晚侏罗纪前陆挤压和新生代伸展等构造热演化的大致反映.南黄海热流在东亚大陆边缘处于偏低的水平,反映了南黄海在东亚陆缘相对偏冷的地质背景.

极端海况下系泊浮船坞动力响应研究

以某大型浮船坞为研究对象,对极端海况下系泊浮船坞的动力响应进行分析。通过将绕射辐射单元与莫里森单元相结合建立浮船坞-系泊系统耦合动力计算模型,基于水动力分析软件Aqwa模拟在极端海况下系泊浮船坞的运动,综合考虑风载荷、流载荷及随机波浪载荷的共同影响,计算在不同入射角的波浪作用下系泊浮船坞的六自由度运动响应幅值算子(RAOs)和动力响应,并分析水深和吃水等环境因素对浮船坞的运动和动力响应、系泊链的应力的影响规律。研究表明:浮船坞纵、横荡及横摇对波浪频率有更敏感的响应;在不同吃水深度、不同波浪方向下浮船坞六自由度的RAOs具有高度一致;随着水深的增加,浮船坞运动时域的纵荡、垂荡、纵摇、首摇振动周期越长,振动频率越低。

南海西北部莺琼陆坡重力流和等深流的时空关联

南海西北部的莺琼陆坡深水区近些年获取了大量油气发现,展示了广阔的勘探前景。深水沉积往往受控于重力流、等深流等多种机制,它们在时空中如何分布、如何相互作用,又在多大程度上影响或控制着沉积格局,对水动力方面的认识的差异会导致沉积相展布方面的不同认识,进而影响对砂体类型和展布的分析,制约了石油勘探开发。论文基于地震数据所呈现的地震相和地层叠置样式,确认莺琼陆坡在中新世以来发育两类沉积体系:重力(流)和等深流沉积体系。二者在时空上存在毗邻而居、有序进退的关系,重力流沉积呈“台阶状”逐层上超于等深流沉积之上,呈进积形态,而等深流沉积体系则呈退积样式;二者之间构成了特殊成因的、跨时的“相变”面;进而相应恢复了两种不同方向的沉积作用(重力流和等深流)的时空关联。它们这种“台阶状”进退关系根源于中中新世以来莺琼陆坡所经历的多方向物源体系充沛的碎屑供应和由此导致的活跃的重力流活动;南海深水循环导致的等深流机制作用的强度也有相当的作用;总体上,等深流沉积体系的分布范围受重力流作用强弱的控制,形成了二者彼进此退的时空关系。