有限厚度非均质海床对非线性波浪响应的有限元模拟

本文在Biot多孔介质动力固结理论的基础上,对有限厚度砂质海床与非线性波浪的相互作用进行了有限元数值模拟.进行参量研究,分析了波浪非线性、海床非均质性和相对厚度等因素对海床土层内超孔隙水压力分布的影响.     

砂质海床波浪传播衰减试验研究

近岸海床对波浪传播的影响是客观存在的。为研究砂质海床上波浪传播的衰减情况,综合考虑砂质海床孔隙率、海床相对厚度、波陡和相对传播距离等影响因素,开展砂质海床上波浪传播衰减物理模型试验。通过分析各影响因素与波高衰减率之间的关系,应用单一变量与多元非线性回归拟合方法,分别得到砂质海床上规则波浪与不规则波浪的波高沿程衰减率的计算关系式。验证结果表明,该计算关系式具有较好的精确性与适用性。     

随机波浪作用下砂质海床中的孔隙水压力响应

本文以动弹性固结理论和线性渗流理论为基础，建立了求解随机波浪作用下饱和砂质海床中孔隙水压力响应的有限元方程，并用Wilson-θ法进行动力响应求解。海床可为具有任何边界条件的分层分块介质，作用波浪可为任何形态的随机波浪。忽略波浪和海床的动态相互作用，海床面上的波浪压力可先按各种波浪理论进行计算，之后作为边界塔荷载作用于海床。计算孔隙水压力与模型实验的量测值吻合较好。通过计算讨论分析了砂质海床中的孔隙水压力响应。     

波浪作用下海底管道在位稳定性分析

基于Gao et al.(2002;2003)得到的描述波浪作用下海底管道在位失稳的Frb-Gb关系,本文提出一种改进的海底管道在位稳定性分析方法,并给出算例.与DnV管道稳定性设计方法不同,本分析方法考虑了"波浪-管道-砂质海床"之间的动力耦合作用.     

波浪作用下可渗沙质海床模型相似率研究*

海床渗流是海洋工程设计中重点考虑的因素之一，其影响着建筑物的稳定性，严重时还会引起海床液化。现有波浪与海床相互作用的有关研究尚未解决实验室内海床的模拟方法问题。基于此，进行波浪作用下可渗沙质海床模型相似率研究，通过系列波浪水槽物理模型试验，基于原型孔隙水压力与模型值相似的条件，提出实验室内模拟海床的相似准则。结果表明：沙质海床相似比尺与模型几何比尺的关系为λ海床=λ1/3。     

海流引起的海底管道周围砂质海床局部冲刷

海流引起的海底管道周围海床冲刷是海流、管道与海床之间的动力耦合作用问题.目前对管道周围海床冲刷的研究主要是通过试验观测的方法进行的.本文分析评价了近年来海底管道周围砂质海床局部冲刷试验研究的主要研究成果,其中包括局部冲刷机理、极限平衡冲刷深度预测、管悬空长度预测等内容,并对已有研究成果的工程应用进行了初步分析.     

波浪作用下砂质海床最大液化深度

根据线性波浪作用下饱和海床内孔隙水压力分布的解析解和波浪作用下海床液化的判别准则,推导了均匀海床最大液化深度的计算公式,并根据该公式提出了防止海床液化措施的建议。     

波浪作用下海上风力发电装置基础海床的液化研究

基于FLOW软件建立三维数值波浪水池模型,模拟海上风力发电装置筒型基础周边的波浪场和海床表面的波压力,利用有限元软件ABAQUS建立筒型基础及周边海床的三维动力响应数值模型,研究不同波浪条件下筒型基础周边海床的动力响应和液化深度。研究结果表明：波浪作用下海上风电筒型基础迎浪侧的海床易发生液化,风力发电装置基础周围海床的液化深度随波高加大而增加,由于筒型基础的人土深度较大,筒内土体不发生液化。     

渗透海床上波浪传播特性的研究

波浪在渗透海床上传播时会发生波高的衰减.基于Dean和Dalrymple(1984年)提出的渗透海床上波浪传播的理论模型,推导了波浪运动的速度势表达式和色散关系,并采用迭代方法,提出了一种求解色散方程的简单高效的数值算法,从而求得波浪的空间衰减系数(即复波数虚部).在此基础之上,研究了不同渗透系数和不同水深条件下波高的衰减规律,结果表明,波浪在传播过程中波高按指数衰减,衰减速率随渗透系数的增大和相对水深的减小而增大,但由于波浪的空间衰减系数较小,波浪的衰减也较为缓慢,通常情况下,只有当波浪长距离传播时,海床渗透导致的波高衰减才较为显著.     

波浪引起的渗透力对泥沙起动的影响

波浪在泥沙颗粒起动中的作用主要体现在两个方面：一是波浪边界层的形成和发展;二是振荡波压力在海床中引起的渗流导致的渗透力。目前泥沙研究主要着力于第一点,而第二点尚未引起广大研究者的关注。本文基于Mei和Foda（1981）提出的边界层理论,讨论了波浪渗流引起的渗透力在底沙起动中的作用。典型海洋波浪条件下的计算结果表明,当海床饱和度低于1时,渗透力的影响将非常显著,甚至在数量级上超过上举力。由于实际海床不饱和的情况普遍存在,因此在分析波浪作用下的泥沙起动时,必须考虑渗透力的作用。     

海床冲淤模型中长周期动力代表数据输入的概化研究

海床冲淤变换属于长期行为,其海洋动力输入条件的概化处理是模型初始输入动力条件的一个关键问题。在本文中,利用波浪、潮流二维泥沙数学模型对长周期动力海床模型中代表数据输入的概化条件作了进一步的研究:采用比较代表条件与真实条件下多年实测平均海床冲淤强度近似以及把潮周期中具有平均意义的波浪过程概化要素叠加到潮流场中的方法分别对实际潮流、波浪数据进行概化处理的方法来模拟波流共同作用下的海床地形演变过程。并对黄河三角洲的胜利油田海区、岸线进行了验证计算。     

波浪作用下海床孔压滞后现象研究

利用室内实验模拟了波浪作用并对海床土中孔隙水压力的变化进行了监测,发现不同深度处的孔压存在的滞后性,研究了滞后性的具体表现形式。然后改变波浪的周期和土样的粒度级配进行对比试验,得到影响滞后性的诸因素:饱和度、波浪周期、波高、粒度级配、渗透性。     

改进的等效线性化计算模型及在结构海床耦合系统动力分析中的应用

为探究结构-波浪-海床耦合系统的失稳破坏机理并建立能反映此机理的计算模型,将改进的哈丁模型引入等效线性化方法,使其能反映载荷频率、循环周次以及土体平均有效主应力等多因素的影响。该模型运用于结构-波浪-海床耦合系统的非线性动力响应分析,一方面与标准哈丁模型的计算结果以及在波浪水槽进行的模型实验进行了比较,另方面着重对土体模量退化以及接触面附近土体的强度软化进行了考察,获得了一些明确的认识。     

非线性立波作用下砂质海床动力响应及液化研究

利用傅立叶级数近似法求解非线性立波作用下海床表面波压力,基于波浪作用下海床动力响应的二维准静态模型以及液化判定标准,模拟非线性立波作用下海床动力响应以及液化深度。线性与非线性立波计算结果比较表明:当相对水深较大时,非线性立波波峰处波压力出现双峰,波谷处的波压力明显大于线性立波波谷处波压力;海床中孔隙水压力在波峰时也表现出双峰型特性,且波谷时的海床压力增大;在相同波浪条件下,非线性立波作用下海床更易液化,且液化深度大于线性立波作用下液化深度。     

不同底质海床上自升式平台矩形沉垫的渗流力研究

自升式海洋平台具有良好的移动性,可在各种不同底质的海床上作业,在不同工况下自升式平台的大尺度矩形底座和沉垫会受波浪、海流和海床渗流力的作用.基于渗流力学的基本理论,验证ABAQUS有限元软件模拟海洋平台沉垫渗流问题的可行性与精确性,探讨海床不同底质对平台沉垫底部渗流力的影响规律.     

振荡水柱气室结构优化设计对比

波浪进入振荡水柱气室的能量转换流体动力学性能影响波浪能捕获效率,以方形和圆柱形两种类型的底部开口空心腔室气室为对象建立4种结构模型,分析入射波浪进入气室引发的波浪振荡特性和腔室内的气动特性。基于计算流体力学软件构建三维数值波浪水槽VOF模型模拟分析振荡水柱引起的气室内顶端压强,对比气室压强模拟计算获取的4组数据,结果表明,前后壁不对称方形气室的波浪能量收集效率较高。单一参数获得4种气室模型共28组仿真数据,比较分析入射波高及前墙入水深度等参数变化对气室内液面波动和压强的影响。     

复合筒型基础周围土体在波浪作用下的动力响应

利用OpenFOAM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。     

螺旋桨洗流在实体式码头前沿砂质海床上的间歇冲刷试验研究

随着高功率发动机在船舶上的使用以及船舶机动性能的提高,螺旋桨洗流在实体式建筑物周围的冲刷正逐渐成为冲刷研究的重要内容之一。首先自行研发了一套一体化试验设备,之后利用该设备进行了螺旋桨洗流对实体式码头砂质海床的间歇性冲刷试验研究。通过对d_(50)=0.7 mm的原型砂土海床的间歇冲刷试验发现:在同等试验条件下,与连续冲刷相比,间歇冲刷会加深冲刷坑的深度,加深范围介于1.3%~24.8%;间歇冲刷时单次冲刷时间长度越短,冲刷次数越多,冲刷深度加深的越明显;且随着螺旋桨到码头面距离的增大,间歇冲刷引起的冲刷深度的增加越明显。最后提出了最大间歇冲刷深度的定量预测方法,该方法可为实体式码头前沿砂质海床的间歇冲刷防护提供理论支撑。     

波流联合作用下海床演变的长期预报泥沙数学模型

本文根据波浪浅水变形理论及波浪辐射应力作用的二维浅水环流方程、泥沙运动连续方程和水流挟沙能力公式建立了潮流、波浪联合作用的泥沙数学模型;提出了应用典型潮,特征波进行岸线、海床演变中、长期预报的数学模拟方法及潮流计算的有限元加权集中质量法;为解决港口工程中岸线、海床演变泥沙数学模型的中、长期预报问题进行了有效的探索。并对毛里塔尼亚友谊港附近海区、岸线进行了验证计算。     

海流引起海底管道悬空的数值模拟

海底管道悬跨将影响管道的安全运营.在海底管道稳定性设计中,需要合理分析具有初始嵌入深度的海底管道产生悬空的物理机制.本文对海流作用下铺设于砂质海床上的海底管道悬空进行了数值模拟.求解不可压缩流体N-S方程,分析了海流作用下管道周围的流场特性,研究了管道两侧的压力分布特性和海床表面剪应力的分布特点.在管道绕流流场分析的基础上,通过对土体渗流方程的求解,得到了管道周围砂质海床内的渗流场以及渗流水力梯度场的分布情况.与海床表面剪应力计算结果进行比较分析发现,管道下方渗流出口处土体的流土渗透破坏将诱导管道发生悬空.