三维波浪作用下大直径圆柱绕流的数值模拟

为探讨三维波浪与结构物的相互作用,以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积(VOF)法为基础,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型;对三维波浪作用下大直径圆柱绕流进行了数值模拟,用两步边界定位法和虚拟边界力法确定波浪与结构物接触面.结果表明:大直径圆柱绕流系数的数值计算结果与理论解吻合,所建立的数学模型能够很好地模拟三维波浪与结构物的相互作用.     

半埋式海底管道周围海床瞬态液化稳定性研究

为研究波浪荷载作用下半埋式海底管道周围海床的瞬态液化稳定性,通过动量源函数法进行数值造波,以LSM法追踪波浪自由液面,利用有限元法求解海床控制方程,建立了波浪-海床-半埋式海底管道相互作用的二维数值模型.将求解的波浪模块中的海床表面压力作为海床模块的边界条件,得到海床中的超孔隙水压力及有效应力,研究了回填高度及波浪特性对半埋式海底管道周围海床稳定性的影响.研究结果表明:波浪特性对半埋式海底管道周围海床瞬态液化稳定性影响较大,管道底部海床瞬态液化深度幅值随波高及波浪周期增大而增大;当波高为3 m、波浪周期为10 s时,管线底部海床液化深度可达0.92 m;当回填高度大于临界回填高度时,管道底部海床不会发生瞬态液化现象.     

P波在饱和粗颗粒夹层界面上的反射和透射

为研究应力波在埋入式桩板路基饱和粗颗粒夹层结构界面的反射和透射效应,以平面P波为例,结合埋入式桩板路基的结构特点,基于Biot饱和多孔介质波动理论和弹性波动理论,建立了考虑饱和粗颗粒夹层反射波叠加影响的弹性介质-饱和粗颗粒夹层-弹性介质界面效应模型;采用引入势函数的方法推导了应力波在饱和粗颗粒夹层交界面上的反射和透射系数;通过数值算例研究了不同因素对反射和透射系数的影响规律.研究结果表明:夹层厚度、孔隙率、剪切模量改变了能量在交界面上的分配关系,且表现出周期性谐振特性,孔隙率由0.2变化到0.4时,反射系数增大了约25%;剪切波的传播引起反射系数在剪切波谐振频率处震荡且受阻尼作用,渗透率及透水条件对粗颗粒夹层的反射系数影响明显.     

波浪荷载作用下各向异性海床瞬态液化研究

为探究各向异性海床在波浪作用下的瞬态液化问题,采用有限元法求解RANS （reynolds averaged navier-stokes）方程及k-ε湍流模型进行数值造波,通过求解Biot多孔弹性方程获得海床瞬态响应,进而建立了波浪-各向异性海床耦合作用的二维数值仿真模型. 在完成对新建模型的验证后,基于此模型系统地研究了波浪及海床特性对各向异性海床瞬态液化的影响. 研究结果表明:海床瞬态液化深度随波高、周期增大而增大,随海床饱和度增大而减小;当海床垂向渗透系数在一定范围内时,海床最大液化深度随垂向渗透系数增大而减小,超出该范围时,海床垂向渗透系数对海床最大液化深度的影响不明显;海床瞬态液化深度对水平方向渗透系数的改变不敏感.      

竖向荷载下挤扩支盘桩数值模拟计算与分析

结合挤扩支盘桩和土体的实际参数,基于Marc有限元软件,采用六面体单元模拟挤扩支盘桩和桩周土体,建立了桩-土相互作用的三维空间模型,分析了竖向荷载作用下挤扩支盘桩和桩周土体的位移变化规律、桩身轴力传递规律及支盘端承力的变化规律,并与同直径等截面桩的极限承载力进行了对比.研究结果表明:在竖向荷载的作用下,桩顶的位移最大,离桩越远,土体的水平位移越小;桩身轴力在支盘处的变化较大,支盘承受了大部分荷载;各支盘端承力不能平均分配,应充分考虑各个支盘的位置和支盘端土体的力学特性,设计合理的支盘间距,才能最大限度地提高支盘桩的承载能力;挤扩支盘桩的极限承载力约为同直径等截面桩的2倍.     

海洋环境中复合桩基水平方向波浪荷载研究

为研究承台淹没深度及波浪入射角对桩-承台复合基础水平方向波浪荷载的影响,以平潭海峡公铁两用大桥某复合基础为研究对象,通过求解RANS方程（Reynolds-averaged Navier-Stokes equation）和k-ε湍流模型,借助FLOW-3D软件建立了波浪与复合基础相互作用的三维数值模型.研究了承台淹没深度及波浪入射角对复合基础水平方向波浪荷载的影响,并给出了不同波浪入射角下复合基础水平方向波浪荷载幅值随承台淹没深度的变化曲线.研究结果表明:承台位于波峰与波谷之间时,复合基础所受波浪荷载较大,承台淹没深度为1倍承台高度时波浪荷载达到峰值;当波浪入射角定义为承台长轴线与波浪传播方向之间夹角时,复合基础所受波浪荷载随着波浪入射角增大,当波浪入射角达到90°时,波浪荷载最大,其值约为波浪入射角为0°时的1.4倍左右.      

三维波浪作用下钢吊箱围堰下放过程受力研究

为了解跨海大桥桥台施工过程中哑铃型钢吊箱围堰与波浪的相互作用,研究了围堰下放过程中所受的波浪力.基于RANS方程和k-ε湍流方程建立了波浪-围堰相互作用三维数值模型,并采用流体体积法捕捉自由液面.该模型不但考虑了钢护筒对围堰周围波浪场影响,而且考虑了围堰的整个动态下放过程.结果表明:钢护筒的存在以及围堰动态下放过程均会对围堰周围波浪场产生显著影响,考虑钢吊箱围堰动态下放过程时的受力较固定淹没深度处围堰的受力增大10%;随着波浪高度和波浪周期增大,钢吊箱围堰在下放过程中所受最大水平力呈现增大趋势.      

基于绕射理论的大尺度桥墩波浪力计算方法

为拓展MacCamy绕射理论在大尺度桥墩波浪力计算方面的适用性,采用数值与解析相结合的方法对大尺度桥墩波浪力的计算模式进行了研究.首先基于数值方法研究了波浪作用下截面尺寸及截面形状对桥墩惯性力系数的影响;然后引入绕射系数对Morison方程进行修正,提出了能够适用于大尺度结构物波浪力计算的修正Morison方程.研究结果表明:相比圆截面桥墩而言,方形截面桥墩的惯性力系数值下降更快,大尺度效应更加明显;通过引入绕射系数修正后的Morison方程用于计算大尺度圆形桥墩波浪力后与数值解更接近;纵向尺寸取0.2倍波长时能较好的计算大尺度方型桥墩波浪力.      

多年冻土区灌注桩抗拔性能的数值仿真分析

应用非线性有限单元法和ANSYS软件,采用四面体等参单元和面-面接触单元对多年冻土区大直径钻孔灌注抗拔桩承载性能进行了数值仿真分析,得到了单桩极限抗拔力与现场荷载试验结果比较吻合.说明本文采用的分析方法能够客观反映多年冻土区桩-土相互作用的力学行为.     

刚性非淹没植物对孤立波传播影响的三维数值研究

通过使用OpenFOAM模拟三维数值波浪水槽,研究了刚性非淹没植物对孤立波传播的影响.观测孤立波通过刚性非淹没植物模型前、后波高的变化,并对比模型前、后两处浪高仪位置波面历时曲线的模拟值和实验值,验证了数值计算的可靠性.计算并比较了波浪反射、透射及波能耗散等相关系数的实验值和模拟值,分析了相同初始条件下孤立波通过不同植物密度和布置形式的刚性非淹没植物时水动力特性的沿程变化,从而得到了设计的工况中刚性非淹没植物在极端波况下的消浪效果.模拟结果也表明OpenFOAM能够较好地应用于三维数值波浪水槽的相关研究.     

A study on dynamic response of cable-seabed interaction

A numerical method is developed to investigate the dynamic response of cable-seabed interaction in this paper. The motion of cable is described by the Lumped Parameter Method, while the seabed, unlike the prevailing simplified model of elastic foundation, is modeled as an irregular continuous rigid surface with rebound and friction existing, and the forces exerted by the seabed consist of normal counterforce and isotropic tangential Coulomb friction resistance. To describe the detailed dynamic response, two coefficients are introduced by analogy with the theory of rigid body collision with friction. The cable-seabed kinematic and dynamic contact conditions are formulated subsequently, and are used to incorporate the seabed effect into the cable dynamics to produce a set of ordinary differential governing equations. In this paper, we employ 4th order Runge-Kutta method to solve these equations. Several simulation cases are presented to illustrate the seabed effect. The results show that friction and impact have a prominent influence on the statics and dynamics of the cable.     

基于LES的跨海桥梁施工期围堰波流力数值模拟

跨海大桥基础施工可能面临水深、浪大和流急等恶劣海况，波流力甚至可能成为围堰施工的主要控制荷载. 为研究跨海桥梁施工期围堰波流力，采用垂向多层σ坐标变换模型追踪三维波流自由液面，添加浸没边界法（IBM）处理不规则结构物界面，建立了基于LES的三维波流与结构物相互作用的数值模型，利用所建立并验证的三维数值模型模拟不同长宽比的矩形围堰与斜向波流的相互作用. 分析结果表明:所建立的三维数值模型能够较好地模拟矩形结构波流力；长宽比为1.0时，由于结构的对称性，波流入射角对围堰总波流力影响很小，增幅均在5%以内；随着长宽比的增加，波流入射角对围堰总波流力的影响增大；如长宽比为2.0时，波流沿纵桥向入射时（90°）结构的总波流力约为沿横桥向入射时（0°）总波流力的2.48倍. 与纯波情况相比，矩形围堰波流力普遍比纯波力偏大，但入射角对结构纯波力或波流力的影响系数较为接近.      

Wave Forces and Moments on a Gravity Pier Foundation

In order to understand the wave forces and moments on a gravity pier foundation which consists of an upper column and a bottom gravity base,a model experiment with a scale of 1:60 has been conducted in a laboratory flume.A corresponding numerical calculation by using the boundary element method has been carried out to provide a comparative analysis.It is shown by the comparisons that the numerical wave forces and moments agree well with the experimental results.It is proved that the wave forces and moments acting on the foundation are completely in their inertia dominative areas for wave loads.With the diffraction effects considered into the inertia item,appropriate inertia coefficients are assessed by the experimental results for the inertia item of the Morison equation.The formula of the inertia item can be used to estimate wave forces and moments on such gravity foundations.     

沙质海床形态变化对波浪变形影响的试验

利用水槽试验模拟浅海沙床进行试验,观察波浪和沙床互相作用及其对各自形态变化的影响。通过数据采集及定义两个参数K1（波高变化率）和Kz（沙坝高宽比）的数据处理方法,研究试验现象发生的原因并归纳出规律。试验中海床模型由中值粒径为0．47mm的原型沙铺设而成,坡度为1：20。研究结果表明：波浪在斜坡上的传播受到斜坡高程变化的影响。波浪传播距岸越近,斜坡高程越高,波高越大,同时波峰变尖,波谷坦化。在波浪作用下,底床形成沙纹和沙坝,沙纹和沙坝床面形态的不规则性将对波浪上爬产生一定的阻力,导致平均波高在破碎前减小,最大平均波高发生位置移动,相对波高变化率K1和沙坝高宽比K2之间成正比关系。     

动力学效应对沉船翻转作业吊缆安全性的影响

为了研究动力学效应对沉船翻转作业安全性的影响, 将吊缆张力作为翻转作业安全性评估指标, 假设船体翻转作业时起重臂吊点固定不动, 研究区域水底为刚性底, 不计上层建筑影响和建立沉船翻转准静态模型时只考虑回复力与外载荷, 分别以船体质量、吊缆刚度、收缆速度与波浪载荷为变量, 应用时域分析方法, 计算了考虑动力学效应的吊缆张力, 基于最大吊缆张力分析了沉船质量、吊缆刚度、收缆速度与波浪载荷对翻转作业中吊缆张力的影响, 评估了沉船整船翻转作业的安全性。计算结果表明: 在沉船船体翻转作业中, 吊缆张力最大值将随沉船质量、吊缆刚度与收缆速度增大而增大, 且吊缆张力最大值与收缆速度呈线性关系, 与船体质量呈近似线性关系, 与吊缆刚度呈非线性关系; 当收缆速度由0.001m·s-1增加至0.020m·s-1时, 吊缆张力最大值较初始值增量增大了约22倍, 可见, 在沉船翻转作业中, 不可忽略动力学效应对作业安全性的影响。      

Calculation Method of Wave Forces on Large Round-Ended Caisson Foundation

This paper presents an analytical formula for estimating the longitudinal wave forces on a large roundended caisson foundation. The establishment of the formula is based on the superposition of the theoretical formula of wave forces on a large circular cylinder and the empirical formula of wave forces on a large rectangular cylinder. With the formula transformed into an inertial force form, a specific inertia coefficient with an exact expression is extracted from the formula. The numerical calculations of the wave forces on round-ended cylinders are carried out by the boundary-element method. The undetermined coefficients in the expression of the inertial coefficient are determined by the numerical results. It is obvious that the numerical values can be well expressed by the computation values from the established formula. By a model experiment carried out in laboratory wave flume, the correctness of the analytical formula is further verified by the measured wave forces on a test model of a round-ended bridge caisson foundation. The comparison shows that the experimental forces can be approximately estimated by this simple calculation method.     

极端波浪作用下T梁与箱梁受力研究

近海桥梁常采用的箱形截面主梁与T形截面主梁由于几何构型差异较大,在极端波浪(海啸和飓风)作用下波浪力有较大差别.分别以孤立波、椭圆余弦波模拟海啸和飓风波浪,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型建立二维数值模型,采用VOF(volume of fluid)法追踪自由液面,对数值水槽造波效果及波浪力计算结果进行验证;在...     

浅海低频点声源作用下海底地震波的数值模拟

建立了点声源作用下海底地震波的时域数值计算模型.利用该模型,对二维半无限空间简单海洋模型的低频点声源海底地震波问题进行了数值模拟,得到了海底表面处的加速度和声压值.结果表明,浅海低频点声源的大部分能量耦合到海底基岩中以地震波的形式向远处传播.声源频率、海底吸声系数和海底基岩阻尼系数对舰船海底地震波信号均有影响.