极地海冰物理和力学性质的工程应用——以南极冰上卸货为例

我国自20世纪80年代开始极地海冰研究,在海冰的自然科学研究方面取得了丰富成果,但相关工程应用研究发展相对缓慢。随着极地航运价值的日益显现,我国愈发重视极地海冰工程性质的研究。海冰物理和力学性质是关键的海冰工程参数,决定了冰工程的合理设计和安全运维。该文利用2019年中国第36次南极考察在普里兹湾固定冰区提取的完整冰坯,在低温实验室开展了不同温度下的海冰三点弯曲试验,获得了海冰弯曲强度和有效弹性模量。文中将海冰弯曲强度、有效弹性模量与海冰孔隙率建立关系,利用弯曲强度下包络线和有效弹性模量上包络线评估了南极普里兹湾固定冰的承载力,为南极冰面卸货提供了安全保障。该研究利用海冰物理参数获取海冰力学参数,进而设计冰层承载力,为海冰工程应用提供了有益思路。     

冰水池中海冰模拟技术现状与关键问题

冰水池模型试验对发展冰区船舶海洋工程和推进极地开发利用起到至关重要的支撑作用,其中完备的海冰模拟能力是进行冰区装备模型试验研究进而开展航行作业性能和安全性预报与评估的关键技术保障。本文总结了国内外冰水池海冰模拟技术现状,比较分析了两种类型制冰技术及其模型冰的物理力学特性,给出了冰水池海冰模拟能力发展趋势;同时,明确了冰水池中海冰模拟的关键问题,剖析了先进制冰技术研发面临的技术挑战,可为进一步开展相关基础研究、探索科学的模型冰制备方法提供引导。     

船舶电力系统物理模拟

电力系统物理模拟(又称电力系统动态模拟),是研究和分析电力系统的重要方法之一。本文介绍了电力系统物理模拟的模拟理论及在船舶电力系统研究中的作用。     

围压作用下水合物沉积物单齿破碎数值模拟研究

选用人工合成的膨润土水合物力学参数,以Drucker-Prager准则作为水合物沉积物的本构模型,通过模拟3轴压缩试验来验证材料正确性。建立单齿切削水合物的三维仿真模型,通过切削试验来验证仿真模型正确性,分析了围压对水合物沉积物破碎形式的影响,以及围压、切削深度和侧倾角对单齿切向力以及破碎比功的影响。仿真结果表明:围压的存在导致破碎过程中的挤压破碎区增大,水合物切屑变小,切向力与破碎比功显著增大;切向力与破碎比功随围压的增加而增大,但增大幅度逐渐变小;切向力随切削深度增大而增加,同时增加幅度逐渐增大,比功随切削深度的增大而逐渐减小,同时减少幅度逐渐减小。该研究结果可为绞吸式机械破碎单齿设计与开采制定提供参考依据。     

轴系非对中时轴承振动的数值模拟与物理模拟研究

对船舶轴系非对中时中间轴承振动问题,通过数值模拟和物理模拟进行了研究。前者给出了非线性刚度的轴承振动数学模型和考虑油膜影响的轴段运动数学模型,并得出了稳态数值解;后者按照动力相似原则在柔性转子实验台上搭建了模拟轴系,通过试验考察了轴系具有非对中状态时的中间轴承振动情况。     

基于Derradji-Aouat海冰本构模型的船冰碰撞数值模拟

海冰与结构物发生碰撞的过程中,其力学行为变化多样,基于实验数据建立的Derradji-Aouat海冰本构模型在一定程度上考虑了海冰的拉压强度不同、静水压力项、横观各向异性以及应变率效应等因素的影响,比传统的材料屈服理论有较好的适用性。采用非线性有限元法对船冰碰撞过程进行了数值模拟,并且对破冰船局部强度和总纵强度进行了校核。     

基于缓坡方程在岛礁地形上波浪破碎的模拟研究

波浪从深海传至近岸岛礁时,一般需要经过落差较大的礁坪边缘,水深急剧变化,导致波浪在传播过程中发生破碎,因此准确模拟波浪的破碎过程以及破碎后的波高大小,对于岛礁海岸工程建设具有重要的意义。缓坡方程是描述近岸波浪传播变形较好的数值模型之一,文章在采用自适应有限元求解缓坡方程所建立的数值计算模型的基础上,引入描述波浪破碎的模型,建立可以描述波浪破碎影响的近岸波浪数值模型。基于二维岛礁地形上的波浪实验,比较分析了4种不同的波浪破碎能量损失因子,给出了适合于岛礁地形条件下波浪传播破碎模拟的模型。     

基于Open FOAM的浅滩波浪破碎区气液两相流耦合模拟

基于OpenFOAM开源工具箱,植入动量阻尼方程和规则波动网格边界,形成可靠的三维动网格气液两相流数值波浪水槽,在设置斜率为1∶6的斜坡平台上,模拟了波浪在近岸带浅滩破碎区的气液两相流破碎演化过程。数值模拟结果与试验值吻合较好,对波浪在浅滩破碎区发生的变形、坍塌、周围气体变化等情况模拟完整,可为波浪破碎机理研究提供较好的数据支撑。     

基于海冰厚度的cryosat-2估计算法在破冰船中的应用

近年来,破冰船在极地海洋资源开发、科学考察、极地求援等领域发挥着越来越重要的作用。由于极地海洋环境的复杂性,海冰厚度对破冰船的航行安全和破冰性能产生直接影响。如何及时准确获取海冰数据成为人们研究的重点。本文深入研究海冰厚度估算原理,提出基于crysoat-2卫星测量数据的改进海冰厚度估算算法。     

单桩波浪破碎荷载的数值模拟研究

基于开源程序Open FOAM建立了三维波浪破碎数值模型,模型控制方程采用三维不可压缩粘性流体运动RANS方程,应用VOF方法捕捉自由表面,分别运用动量分布源方法、阻尼消波方法实现数值造波和消波,紊流模型选用RNG k-ε模型。利用所建立的三维波浪破碎数值模型模拟了破碎波对单桩结构物的作用力,并与物理模型实验数据进行对比分析。结果证明该模型可以较好地模拟近岸单桩结构物所受破碎波浪荷载。     

基于VUMAT的海洋结构物撞冰行为数值仿真

对海洋结构物撞冰行为和冰载荷特性进行研究.基于ABAQUS通用有限元软件平台开发理想弹塑性冰材料VUMAT用户子程序;根据Tsai-Wu屈服准则和经验失效准则,采用完全隐式向后欧拉回映算法实现冰材料应力和应变的更新,并通过单个单元的压缩和拉伸试验验证该子程序的可行性.采用已开发的冰材料VUMAT子程序模拟刚性直立圆柱结构以不同速度撞击平整冰排,研究海冰的损伤过程,并分析碰撞速度对结构物承受冰载荷的影响.模拟刚性勺型破冰艏冲撞式破冰场景,并研究冰层厚度对冰载荷的影响.     

外海人工岛工程施工技术

通过洋口港海上人工岛的施工技术,重点介绍了远离陆域、无遮掩、大潮差,受风、浪、潮影响的区域,打桩、铺排、抛石、倒滤层、吹填和防护等各种工艺,论述了施工中采取各种措施成功解决外海大型围堤工程遇到的各种难题。为今后类似外海围堤工程施工提供借鉴。     

极地海域撬冰式破冰拖船关键技术应用研究

针对破冰船的破冰结构和船体艏艉线型形状对破冰效率的影响问题,基于船体艏艉型线和形状及撬冰式冰刀结构形式的研究和探索,提出了破冰船的破冰冰刀设计方法。同时,阐述了船体艏艉形状对破冰效果的影响,论证了两种方法用于常规动力破冰拖船的实际效果,得出了通过对船体艏艉型线和形状以及撬冰式冰刀结构形式的优化设计能够达到小吨位海工船破冰目的的结果,并取得了较好的实效。     

南堡海域冰情及其对工程的影响分析

基于南堡海域冰情调查的基础资料,对该海域的海冰冰情进行了较为详尽地阐述,分析了海冰对滩海石油工程及海上生产的影响及危害,探讨了工程设计与生产作业应注意的关键环节,给出了该海区最大平整冰厚度设计的具体数值,并指出了滩海石油工程抵御海冰破坏需要进一步研究的问题.     

The structure of dissipation in the western Irish Sea front

We report on an intensive campaign in the summer of 2006 to observe turbulent energy dissipation in the vicinity of a tidal mixing front which separates well mixed and seasonally stratified regimes in the western Irish Sea. The rate of turbulent dissipation ε was observed on a section across the front by a combination of vertical profiles with the FLY dissipation profiler and horizontal profiles by shear sensors mounted on an AUV (Autosub). Mean flow conditions and stratification were obtained from a bed mounted ADCP and a vertical chain of thermistors on a mooring. During an Autosub mission of 60 h, the vehicle, moving at a speed of ~ 1.2 m s^− 1, completed 10 useable frontal crossings between end points which were allowed to move with the mean flow. The results were combined with parallel measurements of the vertical profile of ε which were made using FLY for periods of up to 13 h at positions along the Autosub track. The two data sets, which show a satisfactory degree of consistency, were combined to elucidate the space–time variation of dissipation in the frontal zone. Using harmonic analysis, the spatial structure of dissipation was separated from the strong time dependent signal at the M₄ tidal frequency to yield a picture of the cross-frontal distribution of energy dissipation. A complementary picture of the frontal velocity field was obtained from a moored ADCP and estimates of the mean velocity derived from the thermal wind using the observed density distribution. which indicated the presence of a strong (0.2 m s^− 1) jet-like flow in the high gradient region of the front. Under neap tidal conditions, mean dissipation varied across the section by 3 orders of magnitude exceeding 10^− 2 W m^− 3 near the seabed in the mixed regime and decreasing to 10^− 5 W m^− 3. in the strongly stratified interior regime. The spatial pattern of dissipation is consistent in general form with the predictions of models of tidal mixing and does not reflect any strong influence by the frontal jet.     

航海雷达模拟中的海杂波建模及仿真

复合K分布统计模型能够很好的描述海杂波的幅值与相关性特征。通过建立海杂波幅度分布特征、时间相关性与空间相关性模型,利用球不变随机过程（SIRP）方法可以仿真时空相关K分布海杂波序列。在舰载导航搜索雷达系统模拟中应用该方法来模拟生成海杂波,能够逼真地表现海杂波随雷达环境的变化。仿真结果表明了该方法的有效性。     

刘公岛岸滩整治方案数值模拟

利用MIKE21二维水动力模型,在刘公岛南部东村沿岸附近海域开展了海洋水动力环境和冲淤数值模拟研究。结合关注海域潮位潮流的模拟结果,在刘公岛南部东村沿岸设计了3个丁坝工况。地形地貌的冲淤数值模拟结果表明,设计方案减小了近岸潮流,有效减缓了丁坝之间的水动力能量,防冲刷效果明显,基本形成了促淤态势,能够有效防止沙滩冲刷和岸线侵蚀。该设计方案可为刘公岛南部海域岸滩整治修复工作提供技术支持。     

高速公路岩堆边坡仿真分析与评价研究

在分析宜巴高速公路三里花岩堆边坡基本特征及破坏机理的基础上,基于FLAC3D理论,建立了山区高速公路岩堆边坡三维仿真分析模型,在此基础上,考虑岩堆天然自重、降雨、地震和人类活动等荷载组合作用,模拟分析了岩堆边坡在不同工况条件下的变形破坏机理和稳定性,并对岩堆边坡的稳定状态进行了评价。     

冰载荷作用下海洋平台桶基的离心模拟

吸力式基础从20世纪70年代开始应用于港口、防波堤和海岸灯塔等的建设上,从1994年开始被用于海洋平台基础.这种基础形式同样应用于我国渤海油田开发中.渤海湾每年冬季有三个月的冰期,海冰不仅使平台受到很大的水平静压力,而且海冰破碎撞击平台会引起平台结构强烈的振动.已测定的平台结构的振动频率是0.8Hz～1.0Hz.为了模拟在这种水平动载荷作用下基础的承载特性,清华大学开展了离心模型试验研究.本文介绍了动冰载荷作用下吸力式基础离心模型试验的结果,并进行了相应分析.