两相流模型在南海内孤立波与沙波相互作用中的应用

为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m3的悬沙浓度。

沿岸输沙计算研究综述

沿岸流输沙是波浪和波生沿岸流共同作用引起的沿岸纵向泥沙运动,是海岸带重要的泥沙搬运方式。自20世纪50年代以来,国内外许多学者对这一课题进行了研究,产生了很多理论公式,本文简要分析了各家的理论思想,根据不同的研究思想将诸多公式分类,简单论述了这些公式的优劣和实用性,并提出了一些沿岸流输沙研究中存在的问题。在文章的最后,介绍了理想沙质海滩稳定曲线的研究进展,并对其中存在的问题做了简单阐述。

渗流作用下的泥沙运动研究综述

对渗流输沙的形式、泥沙起动的临界条件和泥沙输移模型三个问题进行了总结。目前的研究成果众多,有基于经验数据的总结、有关于理论方法的推导,但总体来说各种成果的适用性都有局限。各种成果的差异的原因需要深入研究,从而找出更精确的理论方法。对于二维渗流以及非饱和渗流作用下的泥沙运动问题需要在以后的研究中得到加强。

规则波导斯托克斯漂移对污染物输移的影响

为研究斯托克斯漂移对近岸污染物输移的影响,首先建立波导流和考虑斯托克斯漂移的对流扩散数值模型,通过数模结果与实验结果的比较,研究平直斜坡地形下规则波入射时斯托克斯漂移对污染物输移的影响,波导流模型中波浪场基于波能守恒方程来模拟,波导流场基于Longuet-Higgins提出的辐射应力来模拟,污染物对流扩散模型考虑了斯托克斯漂移的影响。其次,利用一个算例来验证对流扩散模型,结果表明数值模型计算结果与解析解吻合良好。最后,利用该模型模拟了两个实验工况下污染物的输移,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明斯托克斯漂移对近岸污染物向岸线方向的输移有比较明显的影响。

考虑水平隐蔽度影响的卵石周围水流结构分析

基于二维数值水槽，在高雷诺数Re=5×10^4～20X10^6条件下，从卵石在床面不同排列方式下单颗粒到多颗粒圆状卵石的位置及受力情况的角度出发，综合考虑水平与竖直两个方向定义的隐蔽度，颗粒起动采用滚动模式，结合水流结构，进一步探讨其起动规律，亦对沙卵石河床冲刷和粗化的研究提供基础。通过比较9种情况下阻力与升力的数值结果分析表明，水平隐蔽度对水动力因素亦有较大影响，阻力系数随着相对水平隐蔽度的增大先减小后增大，经综合考虑其更符合真实情况，最后对附近作用区域涡量分布的影响进行了讨论。

基于绕流阻力理论的无粘性土渗透系数的计算

渗透系数是渗流计算所需的一个重要参数。目前对于渗透系数的计算已经有很多计算方法,但是理论方法的计算精度不足。针对已有的理论计算方法,基于圆球绕流阻力理论,对Hagen-Poiseuille定律中水流阻力规律进行了等效处理,推求渗透系数的计算方法。在计算中,毛细管直径的求解推荐采用平均孔径计算。通过与实验结果的对比,本文的理论计算方法具有很高的可信性。土体参数对于本文公式的计算结果影响较大,不均匀系数小于5的土体,可采用本文方法;计算结果对于土体粒径和孔隙率的变化较为敏感,准确测量土体参数是运用该方法的基础条件。本文公式可计算不同温度条件下的渗透系数,并且指出由于实验边界和实验过程的影响可能导致本文公式计算与实验值的偏差。

海上风电复合筒型基础抗波浪液化研究

海上风电复合筒型基础周围海床在波浪作用下会发生液化现象,近年来许多学者都对海床抗液化措施进行了研究。采用基于开源软件OpenFOAM建立的波浪-海床-结构物相互作用的CFD-CSD耦合模型,模拟求解波浪作用下海床动力响应及考虑结构物的复杂波浪荷载条件下的响应问题。通过数值模拟复合筒型基础周围的海床表面覆盖不同块石下的动力响应和液化范围分布,表明上覆块石层厚度越大,抗液化效果越好。

基于局部冲刷的海底管道周围流动结构分析

基于N-S方程和泥沙输运方程,采用k-ε模型和SGS涡黏性模型为紊流传输模型;利用有限差分法进行求解,模拟的结果同Mao的试验值吻合良好。对不同管径影响的冲淤情况和流动结构做进一步模拟分析,得到了局部冲刷公式。k-ε模型和SGS模型的模拟结果表明,k-ε模型对于剪切应力的预测更具优越性。

沙坝地形上沿岸流不稳定运动模式变化特性

为研究沙坝地形上沿岸流不稳定运动特征模式变化特性,建立了考虑底摩擦影响的不稳定模型,并用该模型计算了两种沙坝地形（坡度分别为1∶40和1∶100）上的不稳定特征模式,这些模式内容包括不稳定运动波长、传播速度、不稳定增长率和扰动速度场。将这些结果与忽略底摩擦计算结果进行了比较,分析了底摩擦对不稳定特征模式的影响。上述研究表明沙坝地形上不稳定运动传播速度约为时均沿岸流最大值的0.71~0.79;1∶40沙坝地形上产生不稳定运动所用的时间比1∶100地形上更短;底部摩擦可以很大程度上抑制沿岸流不稳定运动的产生;一般观测到的（准）韵律形、新月形沙坝都在后剪切区（紧邻时均沿岸流最大值向海方向区域）产生;不稳定运动在沙坝处运动最强,并且坡度越缓,不稳定运动沿岸方向波长越长。

基于原子力显微镜的胶体颗粒相互作用力测量研究

胶体颗粒絮凝是环境科学领域的研究热点之一,不同环境条件下颗粒间的相互作用力对絮凝起着重要作用。采用聚苯乙烯胶体颗粒作为研究对象,设计实验方案,用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)测量不同电解质溶液中颗粒间相互作用力。在一定范围内,实验值和扩展的胶体稳定性(XDLVO)理论值吻合。液相环境中测量聚苯乙烯胶体颗粒间相互作用力的技术为测量具有复杂形状的胶体颗粒间相互作用力提供了依据。

波浪作用下锚链系泊浮式防波堤动力响应的数值模型研究

浮式防波堤充分利用波能在水深方向的分布特性,在满足工程消浪要求的同时对海域水沙交换影响较小,且能够快速布置,在某些实际工程有一定应用前景。为了深入了解波浪作用下浮式防波堤的动力响应,基于OpenFOAM标准求解器olaFlow,在刚体运动求解计算中植入锚链求解模块MOODY(mooring cable dynamics),实现了基于重叠网格方法的浮体运动与锚链受力耦合求解,建立了锚链系泊浮式防波堤动力响应的二维数值模型。利用该数值模型对锚链系泊单方箱浮式防波堤在波浪作用下的透射系数、运动响应、锚链张力进行了模拟,并和相关试验结果进行了比较。结果表明,模型能够准确模拟二维波浪和浮式防波堤的相互作用,并用于三维模型的改进。

复合筒型基础周围土体在波浪作用下的动力响应

利用Open FOAM模拟数值波浪水槽,将复合筒型基础周围海床受到的波压力作为初始条件输入有限元软件ABAQUS,建立波浪作用下海床动力响应模型。数值模拟结果与实验结果及解析解吻合较好。运用此模型进行了复合筒型基础周围海床在行进波作用下动力响应研究和土体特性对波浪作用下海床动力响应的影响分析,结果表明,海床孔隙水压衰减速度随着海床渗透系数和弹性模量的增加而增大。

基于OpenFOAM的波浪作用下海床动力响应

基于计算流体力学开源软件OpenFOAM建立了波浪-海床-结构物相互作用的数学模型。其中,数值波浪水槽采用动量源函数造波,求解雷诺平均的N-S方程,VOF方法追踪自由表面;海床动力响应基于Biot固结理论,并结合摩尔-库伦塑性本构模型。首先对波浪作用下海床动力响应问题进行研究,数模结果与实验结果及解析解吻合良好。进一步在数值水槽中添加孔隙介质模型,模拟潜堤周围海床动力响应问题,结果表明本模型可以较好地模拟出考虑结构物影响的海床动力响应过程。

波流作用下破波带内污染物输移扩散试验

利用在破波带内连续采集的污染团图像,研究平直斜坡上规则波斜向入射时破波带内污染物的输移扩散特性。在介绍试验情况以及图像处理方法的基础上,获取污染团的形心点和离散程度,通过追踪形心点在水平二维空间的变化,线形拟合得到污染团在沿岸和垂直岸线方向的输移速度,并分析沿岸方向输移速度与时均沿岸流速最大值的关系;基于高斯扩散理论拟合得到垂直岸线方向扩散系数。利用该方法获得了5种波况下污染团水平方向输移速度、垂直岸线方向的扩散系数,并对其进行分析。结果表明:沿岸方向的污染物输移速度约为时均沿岸流速最大值的33%,垂直岸线方向输移速度及扩散系数分别在0.008~0.030 m/s和0.16×10^-3~2.6×10^-3 m^2/s范围内。

不规则波情况下沿岸流不稳定运动传播方向的研究

本文以沿岸流不稳定运动实验中流速仪采集到的不规则波的流速时间历程为基础,利用相关性分析,得到两个不同位置处对应流速时间历程的最大相关系数和延迟时间,进而分析沿岸流不稳定运动在1∶40和1∶100平直斜坡上的传播方向,并且分析了其随入射波高、周期的变化。结果表明沿岸流不稳定运动在海岸垂向环流系统的作用下,其传播方向会向海方向偏移,与岸线角度大约在0°到45°之间,且在1∶40和1∶100坡情况下,沿岸流不稳定运动的偏移角分别随入射周期和波高的增加而增加,但1∶100坡的增加幅值较小,大约为1∶40坡情况下的1/2。

平直缓坡上破波带内污染物输移速度实验研究

破波带内是接受海陆交接处污染物最多的区域,掌握破波带内污染物输移规律尤为重要.为此,通过实验,研究了平直斜坡上破波带内污染物在沿岸方向与垂直岸线方向的输移规律.实验采用的入射波分为规则波和随机波,主要分析了这两种入射波情况下入射波高、周期对污染物沿岸方向输移速度的影响;垂直岸线方向输移速度Vdx与沿岸方向输移速度Vdy比值关系;污染物沿岸方向输移速度与时均沿岸流最大值的比值.污染物在破波带内输移速度通过追踪污染团浓度等值线的额点来获得.结果表明,规则波和不规则波情况,污染物沿岸方向输移速度随着入射波周期和波高的增大而增大,污染物基本都有向岸线方向输移的趋势;规则波情况下,|Vdx|/|Vdy|在0.04～0.11范围内,不规则波情况,则在0.11～0.29范围内.污染团向岸线方向输移速度不规则波情况比规则波情况时大;规则波情况下,污染物沿岸方向输移速度约为时均沿岸流最大值的36%～90%,而不规则波情况下,则为61%～75%.

沿岸流不稳定运动对边缘波影响的实验研究

利用小波变换分析了1:100和1:40平直斜坡不规则波条件下沿岸流不稳定运动对边缘波的影响;沿岸流不稳定运动在垂直岸线方向和沿岸线方向时空变化特性;坡度对沿岸流不稳定运动的影响;沿岸流不稳定运动在实验室内的可重现性.结果表明:边缘波可以和沿岸流不稳定运动同时在垂直岸线方向和沿岸方向存在.在垂直岸线方向边缘波(波动周期20 s)的能量分布比沿岸方向更加明显,并且不会和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)有能量交换.而在沿岸方向,边缘波(波动周期20 s)的能量不再像垂直岸线方向更加周期性的出现,而且还和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)的能量有交换,特别是在均值沿岸流最大值附近.在时均沿岸流最大值附近,沿岸流不稳定运动获得能量的时间最早,而从这个位置向向岸和向海方向则开始逐渐延后;从地形影响角度看,坡度增大使得沿岸流不稳定运动在垂直岸线和沿岸方向的能量增强,并且在沿岸方向增大的程度要大于垂直岸线方向的.通过实验结果分析,相同实验条件下沿岸流不稳定运动有一定的可重现性.

基于压实实时监测的高填方基础薄弱区快速识别研究

高填方路基基础薄弱区域的存在不利于其工后沉降控制。通常采用的事后试验检测不仅无法在事中及时发现薄弱区域反馈施工,且难以实现作业区全域检测。基于智能碾压技术的压路机车载压实监测指标能够表征一定影响深度范围内的基础承载能力,为填筑过程中实时、连续检测高填方基础薄弱区提供了可能。基于此,考虑快速傅里叶变换(FFT)对碾压振动加速度信号进行频谱分析时存在的栅栏效应与频谱泄露现象,提出了基于四项三阶Nuttall窗的改进FFT计算压实监测值的方法;通过现场试验建立了压实监测值与高填方基础回弹模量的关系模型;给出了利用碾压过程中实时采集的压实监测指标进行全工作面快速基础薄弱区域识别的标准与方法。在土石混填高填方路基上的实例应用结果表明:改进FFT方法可抑制频谱泄露与栅栏效应,其计算的压实监测值与基础回弹模量具有强相关性,拟合系数R^(2)为0.8811;提出的薄弱区域快速识别方法能够以较小的误差有效识别薄弱区域。所提方法为高填方基础薄弱区的连续、无损、快速识别提供了有效途径,有助于控制高填方工后沉降,确保公路运行安全。

盐度对伊利石不等速沉降絮凝的影响

盐度是影响粘性泥沙絮凝沉降的重要因素之一。将胶体化学中的XDLVO理论引入颗粒沉降三维格子玻尔兹曼模型,模拟黏土矿物质絮凝沉降过程,研究伊利石在不同盐度条件下的不等速絮凝沉降过程。模拟结果表明,伊利石黏结概率随着盐度先增加后保持不变,最佳絮凝盐度在5左右;伊利石絮凝形成的絮团粒径呈现双峰分布,盐度对粒径分布有一定影响。盐水中双电层排斥力受到抑制,起主要作用的是范德华吸引力,使得伊利石颗粒更容易产生絮凝,三维数值模型从细观尺度揭示了盐度对伊利石不等速沉降絮凝的影响机理。

三维强迫均匀各向同性紊流直接数值模拟研究

均匀各向同性紊流作为紊动水流的一种简化特例,被广泛应用于泥沙悬浮、污染物扩散等问题的研究中。该文利用伪谱分析方法,建立了三维均匀各向同性紊流并行计算模型,利用直接数值模拟方法生成了不同初始能量谱和不同雷诺数条件下强迫均匀各向同性紊流流场,研究了强迫均匀各向同性紊流三维紊动特性。模拟结果表明:初始能量谱取值不会影响稳定后的紊动流场;不同雷诺数条件下,雷诺数越大,强迫均匀各向同性紊流紊动强度越大,形成的惯性子区越宽。