图像测量技术在海洋工程管线振动模型实验中的应用研究

针对海洋工程模型实验中传统外置式传感器对管线模型测量的影响问题,提出了一种标记式轻质管线的图像测量方法:首先进行特征设置与定位,然后分别进行匹配追踪与立体匹配,之后根据匹配结果进行三维重构。由于此方法基于立体视觉重构原理,通过实时追踪管线上的特征标记来获取管线的三维运动轨迹,所以不仅灵敏度高,而且对管线的运动无扰动。最后通过管线的涡激振动实验进行方法验证。实验结果表明,该方法可以较好地重构出流场中管线的三维运动,大幅度提高了海洋工程管线振动模型实验的效率。

限制收缩椭圆环约束度理论研究与试验设计

为了定量研究椭圆环试验约束度,采用数值分析方法,通过对混凝土施加虚拟温度场来模拟其收缩作用,计算了椭圆环试件中混凝土在自由收缩和限制收缩条件下的位移,分析了混凝土壁厚、钢环厚度和混凝土弹性模量对椭圆环试验约束度的影响,并拟合得到椭圆环试验约束度计算表达式.通过对比椭圆环混凝土的开裂时间后发现,预测结果与试验结果吻合良好,验证了所提出的数值分析方法的可行性.最后针对不同约束度条件下的早龄期混凝土,进行了约束圆环和椭圆环试验设计.

关于Boussinesq型水波方程理论和应用研究的综述

Boussinesq型方程是研究水波传播与演化问题的重要工具之一,本文就1967-2018年常用的Boussinesq型水波方程从理论推导和数值应用两个方面进行了回顾,以期推动该类方程在海岸(海洋)工程波浪水动力方向的深入研究和应用。此类方程推导主要从欧拉方程或Laplace方程出发。在一定的非线性和缓坡假设等条件下,国内外学者建立了多个Boussinesq型水波方程,并以Stokes波的相关理论为依据,考察了这些方程在相速度、群速度、线性变浅梯度、二阶非线性、三阶非线性、波幅离散、速度沿水深分布以及和(差)频等多方面性能的精度。将Boussinesq型水波方程分为水平二维和三维两大类,并对主要Boussinesq型水波方程的特性进行了评述。进而又对适合渗透地形和存在流体分层情况下的Boussinesq型水波方程进行了简述与评论。最后对这些方程的应用进行了总结与分析。

新型深水串联浮筒锚泊线阻尼特性分析

随着海洋石油工业向深水及超深水领域的发展,传统悬链式锚泊线的使用受到限制。论文在传统悬链式锚泊线的基础上串联浮筒,优化设计出一种新型的串联浮筒悬链式锚泊线。首先,介绍新型串联浮筒锚泊线的优化设计过程;其次,在时域范围内建立串联浮筒锚泊线的动力分析模型,利用耗散能量法计算锚泊线阻尼;最后,结合算例分析串联浮筒对锚泊线阻尼特性的影响,并对浮筒大小和位置的影响进行参数化分析。研究结果对深水浮式平台锚泊系统的设计提供了一种新的参考选择。

基于二维浅水方程的滑坡体兴波数值模型

基于有限体积方法和结构化网格,建立了海底滑坡引起的波浪传播数值模型。模型控制方程为考虑了海床随时间变化的二维浅水方程。采用中心迎风格式计算控制体界面数值通量,采用线性重构技术、局部海床高程处理技术和全隐式离散底摩阻项,保证了格式的和谐性、守恒性和水深非负性,有效处理了海岸动边界问题。时间积分采用具有强稳定性质的二阶龙格-库塔方法 (ssp RK)。针对滑坡体兴波经典算例开展数值模拟,将计算结果与解析解、实验结果及其他模型计算结果进行比较和分析。结果表明,对于所考虑的计算工况,模型能较合理地模拟滑坡兴波的产生、传播和爬高过程。

粒子图像测试实验中的图像采集控制方法

针对粒子图像测速(PIV)实验过程中的图像采集问题,基于现场可编门阵列(FPGA)技术提出一种适用于流场图像采集的控制方法。该方法根据PIV实验时的图像分辨率高、位宽大、传输速率高的特点进行了控制结构的优化设计:首先FPGA将配置信息发送给相机,然后在FPGA上产生用于相机、光源同步的触发控制信号,在FPGA内部进行图像信号的采集与传输。所提方法中,整个PIV数据的采集与控制均在一片FPGA芯片上进行,大大提高了系统的集成度,从而增强了系统的稳定性。最后,对所提的控制方法进行了验证分析。结果表明:所提方法可以有效地解决粒子图像的采集问题。

基于GPU加速的Boussinesq类波浪传播变形数值模型

Boussinesq波浪模型是一类相位解析模型,在时域内求解需要较高的空间和时间分辨率以保证计算精度。为提高计算效率,有必要针对该类模型开展并行算法的研究。与传统的中央处理器(CPU)相比,图形处理器(GPU)有大量的运算器,可显著提高计算效率。基于统一计算设备架构CUDA C语言和图形处理器,实现了Boussinesq模型的并行运算。将本模型的计算结果同CPU数值模拟结果和解析解相比较,发现得到的结果基本一致。同时也比较了CPU端与GPU端的计算效率,结果表明,GPU数值模型的计算效率有明显提升,并且伴随数值网格的增多,提升效果更为明显。

礁坪上波浪传播的数值模拟

本文基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。

孤立波对礁坪上直墙冲击试验和RANS数值模拟

在有、无礁冠两种典型岛礁剖面地形上开展孤立波冲击礁坪上直墙的二维水槽试验和数值模拟研究。通过OpenFOAM结合k-ε湍流模型进行RANS数值模拟,基于试验数据和验证后的RANS模拟结果,研究了岛礁剖面上孤立波传播的水动力特性及其对直墙的作用,并探讨了礁冠的存在对直墙所受冲击的影响。结果表明:RANS(k-ε)模型能够准确还原孤立波在岛礁地形上的主要传播特征,但在波浪破碎的情况下,RANS数值模拟不够精细,尤其对直墙所受瞬击荷载的捕捉能力欠缺;礁冠的存在,增强了波浪反射,使得波浪提前破碎,减小了直墙上的波浪爬升和最大动压。

一维全非线性Green-Naghdi水波方程数值模型

建立了求解一维全非线性Green-Naghdi水波方程的中心有限体积/有限差分混合数值格式。采用结构化网格对守恒形式的控制方程进行离散和积分,界面数值通量采用有限体积法计算,剩余项则采用中心有限差分格式求解。其中,采用中心迎风有限体积格式计算控制体界面数值通量,并结合界面变量的线性重构方法,使其在空间上具有四阶精度,通过引入静压重构技术和波浪破碎指标使模型具备处理海岸水-陆动边界及波浪破碎的能力。时间积分则采用具有总时间变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)性质的三阶龙格-库塔法进行。应用该模型对孤立波在常水深和斜坡海岸上的传播过程及规则波跨越潜堤传播的实验进行了数值模型研究,数值计算同解析解及实验数据吻合良好。

点式单波束多普勒测流系统的设计方法

为了加快多普勒流速计算速度和提高系统稳定性,提出基于FPGA技术的多普勒测速的设计方法,其中包括信号发射电路和信号接收电路;首先通过M码进行二相相移键控信号的调制,减少了回波误差、增加信号发射能量,有效地降低了水中超声波的能量耗散对信号提取的影响;然后对回波信号进行二相解调,并利用复自相关算法进行分析处理;最后,通过测速实验对所提方法进行验证;实验结果表明,所提方法不仅具有较低的实验误差而且具有较高的可靠性。

基于混合编程的结构动力平衡方程的求解算法研究

结构-地基动力相互作用数值分析是核电与水工领域大型工程结构抗震评价的重要技术手段,但随着问题的复杂性增加,工程求解规模的日益增大,给研究人员研发程序带来了极大困难。其中之一就是具有复杂性态的大规模动力平衡方程的可靠求解问题。基于MATLAB的超大规模稀疏矩阵求解,提出VC++与MATLAB混合编程模式,其中以一维仅存非零元的模式来存储总体刚度矩阵,以MATLAB动态链接库求解器开发为接口媒介,实现结构动力平衡方程的求解。最后以算例的形式验证了它的有效性与精度。