波流共同作用下单体网格式锚碇网箱水动力特性研究

运用刚体运动学原理和集中质量方法,建立了计算重力式网箱浮架、网衣和锚碇系统受力和运动的数学模型.利用此数学模型获得了波流作用下网箱在网格式锚碇情况下锚碇锚绳受力、浮架运动的计算结果.在此基础上,计算并分析比较了不同设计流速与波况组合作用情况下,单体网箱各类锚绳(锚碇锚绳,连接锚绳和网格锚绳)受力、浮架运动及网衣变形情况.讨论结果表明,在相同工况下,各类锚绳中锚碇锚绳受力最大,连接锚绳受力次之,网格锚绳受力最小.锚碇锚绳、连接锚绳受力随波高、周期、流速的增加有不同程度的增加;网格锚绳受力随波高的增加有一定程度的增加,随流速的增加有较小幅度的减少,与周期变化关系不明显.浮架水平方向运动幅度随波高、周期及流速的增加而有不同幅度的增加;浮架竖直方向运动幅度随波高、周期的增加有不同程度的增加,随流速的增加有较小程度的减小.各种波流工况作用下,浮架倾角随流速的增加有一定程度的减少,随波高的增加有较小程度的增加,与周期变化关系不明显.网衣体积损失率随流速、波高及周期的增加有较小程度的增加.     

纲绳对桩柱式围网网片波浪力学特性影响研究

桩柱式围网养殖是新兴的一种浅海生态型养殖模式,主体由排桩和网片组成。纲绳是影响围网网衣系统安全的重要因素之一。该文采用数值模拟方法,研究了纲绳对桩柱式围网网片波浪力学特性的影响,分析了不同纲绳直径、纲绳网格形状和大小工况下,纲绳和网线的受力和变形以及网片系缚点的受力特性。结果表明:①存在一临界纲绳直径(该文中为4 mm),当纲绳直径小于4 mm时,网线张力大于纲绳张力,纲绳和网线的变形随纲绳直径的增加迅速减小;当纲绳直径大于4 mm时,网线张力小于纲绳张力,纲绳和网线的变形随纲绳直径的增加不再显著下降;纲绳直径对网片顶部和底部系缚点的受力影响较大,对中间系缚点的受力影响较小;②网线最大偏移和最大张力、纲绳的最大偏移以及网片首尾系缚点最大受力随纲绳网格的加密而减小,纲绳最大受力与偏移随菱形网格加密而增大且大于矩形网格,网线的最大偏移与首尾系缚点最大受力不随菱形网格大小而发生变化;③网线最大张力在矩形纲绳网格形式中大于菱形形式,而网线最大偏移、纲绳最大受力与位移以及首尾系缚点最大受力在矩形纲绳形式中都小于菱形网格形式。研究结果可为桩柱式围网养殖工程的设计与安装提供技术参考。     

双驳船锚碇沉管管段沉放过程的水动力特性试验研究

该文通过开展双驳船抬吊沉放方式锚碇沉管沉放运动的模型试验,对不同波浪要素条件下沉管管段的运动特性进行了研究。采用基于双目视觉原理的非接触式运动姿态测量系统测驳船及管段的运动响应,分析了不同波高、不同沉深和不同周期条件下沉管管段的运动幅值变化情况。结果表明:锚碇沉管在双驳船沉放作用下,管段的横荡和垂荡运动幅值较平台沉放时明显减小,横摇运动变大;双驳船抬吊沉放方式锚碇沉管管段的运动幅值随着相对宽度B/L和沉放深度的增大而逐渐减小,随波高的增大而增大;当B/L较小时,波高及沉深对管段运动响应的影响较为明显。锚碇缆对双驳船沉管系统的运动起到一定的约束作用,在波高和波浪周期较大时,锚碇缆对双驳船沉管系统运动幅度的制约更为明显。     

水平圆柱形点吸式波浪能发电装置运动响应数值模拟

研究点吸式波浪能装置的水动力学特性是研究波浪能装置的重点。该文应用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,研究水平圆柱形点吸式波浪能发电装置的运动响应和能量吸收特性。对无阻尼浮子在波浪中的响应进行模拟,并与实验结果进行对比,验证了数值方法的可行性。对单圆柱和双圆柱在波浪中的位移响应和能量吸收功率进行了计算和分析。结果显示:在一定周期范围内,有阻尼单圆柱运动幅值随波浪周期的增加而增加,能量转换效率随周期的增加而降低;双圆柱运动和能量响应呈现一定的周期性特点,通过合理布置可以有效提高系统整体能量吸收效率。     

波浪条件下养殖浮球水动力系数的试验研究

该文通过试验研究获取了三种常见养殖浮球在固定状态下的水平受力,并基于改造后的Morison方程,探讨了波高参数KH、波浪周期参数KT、雷诺数Re对水动力系数DC、MC取值的影响。研究发现,波浪条件下球形结构物的受力主要是惯性力。水动力系数DC和MC基于实测历时数据,采用整体拟合法获得。研究表明,波浪参数KH、KT以及雷诺数Re对水动力系数的取值有显著影响:拖曳力系数DC与波高参数KH有较为显著的幂函数递减关系,而与波周期参数KT和雷诺数Re的关系较为离散;惯性力系数MC与波高参数KH和波周期参数KT均存在较为明显的递减规律,而随雷诺数Re的变化总体不大。最后该文给出了三种典型的养殖浮球在波浪条件下水动力系数DC和MC的经验计算公式。     

含植物四脚空心块斜坡消浪性能试验研究

该文通过几何缩尺比水槽试验,对比波浪在光滑斜面、四脚空心块斜面和含植物四脚空心块斜面三种斜面上的爬高,研究了不同斜坡的消浪性能,测试了不同波浪周期和波高条件下波浪在斜坡面上的爬升水动力特性和最大爬高变化规律。试验结果表明：在四脚空心块中种植植物可减小波浪对护面块体的直接冲击,降低波浪爬高,对四脚空心块斜坡面的消波性能起到了一定提升作用;在不同斜坡上,无论在规则波还是不规则波条件下,最大波浪爬高与波高均表现出较好的线性关系;在光滑斜面和四脚空心块斜面上,试验所得平均糙渗系数与设计规范中建议的系数基本吻合;根据波浪爬高随波高的变化发现,光滑斜面的变化趋势最陡,块体斜面次之,植物块体斜面最平缓,反映了三种斜坡面糙渗系数的差异;固定浪高情况下,在试验考虑的周期范围内,波浪爬高在三种斜坡面上均随周期的增大而增大,但其增幅并不明显。     

不同波浪和装载条件下系泊船舶横摇运动试验研究

横摇是系泊船舶运动的主要形式之一,波浪和船舶装载条件是重要的影响因素。该文选取一艘10万吨级散货船进行系泊模型试验,在同一装载度下变化波浪和配载条件(入射波浪周期和船舶横摇固有周期),通过系列试验,分析了波浪周期和船舶横摇固有周期对系泊船舶横摇运动幅值和横摇运动周期的影响。研究结果表明,对于不同的船舶横摇固有周期,当波浪谱峰周期与横摇固有周期接近时,系泊船舶横摇运动均出现了一次峰值,并且横摇固有周期越小,波浪周期变化过程中的系泊船舶横摇峰值越大。系泊船舶横摇运动周期既和横摇固有周期有关,又和波浪周期有关,系泊船舶横摇运动相对周期(横摇运动周期/波浪谱峰周期)随着波浪相对周期(波浪谱峰周期/横摇固有周期)的增大而减小,并随波浪相对周期的增大而变化趋缓。     

新型圆弧面防波堤波压力分析

在现有半圆型防波堤研究的基础上,保留半圆型防波堤良好的受力特性,并根据现代水工结构对水环境提出的新要求设计了一种新型的圆弧面防波堤。通过物理模型试验,从相对波高、波陡及开孔率这三个因素对圆弧面的受力性进行了分析。结果表明波浪力随着相对波高的增大而增大;随着波陡的增大波浪力呈现下降趋势,且波陡变化对水平分力影响较小;适当增加开孔率会减小圆弧面上的波压力,而在相对波高较大时开孔率变化对波浪力的影响较小。     

改进的相位调制法模拟畸形波:Ⅱ-畸形波特征参数和模拟效率的影响因素探讨

在改进的相位调制法模拟畸形波的理论基础上,探讨了调制方向、调制波浪的数目、组成波数、谱的宽度以及谱峰周期等模拟参数对聚焦处畸形波特征参数和模拟效率的影响。结果发现,调制方向、调制波浪的数目、组成波数和谱的宽度是影响畸形波的特征参数和模拟效率的主要因素,谱峰周期(在模拟范围8s-16s内)的影响可以不计。高频向低频调制优于低频向高频调制。高频波浪对畸形波的形成具有极其重要的作用。在高频向低频调制方式下,组成波数一定时,畸形波波高、波峰高、畸形波波高与有效波高的比以及畸形波波峰高与畸形波波高的比随调制波数的增加而增大;波浪全部调制时,畸形波波高、波峰高和畸形波波高与有效波高的比随组成波数的增加而增大。畸形波波高、波峰高、畸形波波高与有效波高的比、畸形波波峰高与其前一波高和后一波高的比以及畸形波波峰高与畸形波波高的比均随谱宽度的增加而增大。在本文所采用的组成波数范围内(50-100),畸形波的模拟效率随调制波数和谱宽度的增加而提高。通过模拟试验推荐给出了改进的相位调制法模拟畸形波时截断频率、组成波数和调制波数的取值范围。     

圆形重力式深水网箱受灾破坏机理分析

我国沿海地区台风等海洋灾害性气候高发,重力式深水网箱易受到台风等恶劣海洋环境的严重威胁,严重阻碍了我国网箱养殖产业发展。重力式深水网箱受灾破坏形式主要包括浮架受损、网衣严重变形和锚碇脱锚。以温州南麂岛海域的网箱设施情况和水文资料为样本,选取了周长分别为40,60 m及80 m的圆形重力式深水网箱,在水深20,22 m及23 m,波高4~10 m,周期5.4~12.5 s时,通过计算网箱在波浪作用下的水动力响应,利用BP神经网络构建受灾破坏因子与结构受损的定量关系,并利用灰色关联度识别受灾破坏主控因子。分析结果表明,BP神经网络方法可以很好地拟合自变量(受灾破坏因子)与应变量(结构受损)的定量关系。在锚绳破坏中,波高的关联系数为0.59,波高为主控因子;在网衣变形中,周长的关联数为0.39,周长为主控因子;在浮架受损中,周长的关联数为0.58,周长为主控因子。     

桩柱式围网单元网片在水流作用下的水动力特性研究

桩柱式围网养殖是新兴发展的一种生态型海洋养殖模式,主体由排桩和网片组成。围网网衣系统安全是决定围网工程安全的关键所在。该文基于集中质量点法和网目群化技术,通过计算机模拟研究了桩柱式围网单元网片在水流作用下的水动力特性,分析了水流流速和流向要素对围网单元网片的网线张力分布、节点偏移和系缚点受力特性的影响。研究结果表明,网线最大张力和节点最大偏移随流速和冲角的增大而增大;网线最大张力发生处,主要位于网片上下端的两侧位置,但当冲角较小时,网线最大张力出现在网片上下端的迎流一侧。节点最大偏移发生处,主要位于网片上下端的中间部位,且不随流速变化。桩柱系缚点受力上下两端大、中间小,流速和冲角对上下两端系缚点的受力影响较大,对中间系缚点的影响较小。上述研究结果指出了围网网片及桩柱系缚点的潜在危险位置,在进行围网设计时,需给予重点关注。该文研究结果可为新型浅海围网工程设计与安装提供重要参考。     

波浪周期对系泊船舶运动影响试验研究

系泊船舶泊稳是港口设计和营运过程中的重要问题,系泊船舶泊稳标准从实质上讲就是限制系泊船舶的运动量。较长周期波浪作用下的系泊船舶泊稳问题愈来愈受到各方的关注,选取了一艘10万吨级散货船进行横向不规则波作用下的系泊模型试验,在同一波高下变化入射波浪周期,通过系列试验,分析波浪周期对系泊船舶横移、横摇和升沉运动的影响。研究结果表明,系泊船舶横移运动量总体上均随着波浪周期的增大而增大,横移运动对波浪周期的响应敏感程度是变化的;系泊船舶横摇和升沉运动量均随着波浪谱峰周期的增大先增大然后减小,当波谱谱峰周期与相应的船舶固有周期接近时,横摇和升沉运动量均出现了一次峰值。     

波浪作用下系泊船舶运动计算

港内船舶泊稳条件是港口设计中的一个决定因素。但到目前为止,国内外港口工程设计规范对港内泊稳标准无统一规定。由于波浪引起的船舶运动与波周期、波高及船舶频率响应特性等因素密切相关,因此不能单一地以波高或船舶运动量作为泊稳标准。本文讨论了将STF（Salvesen—Tuck—Faltinsen）法与简单格林函数法结合汁算透空式码头前的船舶运动特性,试图为此问题提供一种解决工具。与其它文献、试验数据的比较表明,本文计算值吻合良好。     

淤泥质海岸波生流动力机制及三维模拟研究

淤泥质海岸底坡极为平缓,波浪传播时浅水变形与破碎均不显著,且粘性床面可使波能向岸持续耗散,波浪传播特性的不同使其催生的波生流态与沙质海岸具有明显差异,但当前对其机理缺乏深入探讨.采用基于过程的波生流三维计算模式,以连云港海区为例,对波生流运动规律进行了模拟与分析.研究结果显示淤泥质缓坡海岸波生流影响范围较远,可延伸至深水区,但与沙质海岸相比,其流速不高、底部离岸流不明显.在波浪垂向紊动掺混作用下,垂向流速梯度随波高增大而变得均匀.波生流影响程度随入射波高增大而增大,在大浪条件下,波生流的贡献已与潮流达到相近权重.     

小尺寸双柱式桥墩波浪力的数值分析

Morison 方程适用于小直径孤立柱的波浪力计算,对于双柱式桥墩的波浪力计算已不能直接采用 Morison 方程。为了能利用 Morison 方程求解双柱式桥墩的波浪力,定义了双柱式桥墩前柱、后柱及整体结构的波浪力干扰系数。采用线性波浪理论,利用推板式造波方法模拟线性波,将 ANSYS Workbench平台作为 FLUENT 和 ANSYS 的数据传递平台,对深水环境下双柱式桥墩受到的波浪力以及波浪场作用下双柱式桥墩的结构变形进行单向流固耦合数值模拟。数值模拟结果表明,双柱式桥墩前、后柱波浪力的干扰系数在一定柱距范围内均随柱距的增大近似的成线性增大,当柱距超过一定值后趋于稳定。由于双柱间存在相位差,双柱墩波浪力的总干扰系数以及双柱墩的结构变形却随着双柱中心距的增大而减小。这些变化曲线为实际工程中深水桥梁双柱式桥墩的波浪荷载计算提供了一种更为简便的算法。     

海上漂浮式风力机Spar平台动态特性分析

建立基于Umaine-Hywind Spar平台的漂浮式风力机整机模型,针对平台进行水动力特性分析,主要研究结构的时域动态响应和频域波浪力响应。利用有限元软件ANSYS中水动力计算模块,考虑风、浪、流联合载荷,得到风力机平台的时域和频域特性,通过平台随时间的位置变化幅度分析了平台的动态响应特性;分别研究了各波浪力成分对结构运动的贡献,并探讨了波浪力随频率的变化趋势。结果表明：结构在低频波浪作用下容易出现较大响应,包括幅值响应算子和所受波浪力;在主要波浪力成分中,附加质量力峰值最大;结构在外界载荷作用下平台的偏转运动比水平位移运动更显著。     

混合浪作用下系泊船舶运动响应规律试验研究

采用双峰频谱模拟涌浪和风浪同时出现的混合浪,以一艘26.6万立方米的LNG船舶为试验对象,对混合浪作用下系泊船舶的运动响应规律进行物理模型试验研究。结果表明:当混合浪能量一定时,系泊船运动量大多随着低频部分波浪能量的增大而增大;在一定装载状态下,系泊船纵荡和垂荡运动量随混合浪中涌浪周期的增大逐渐增大,横荡、横倾和回转运动量峰值与船舶自然固有横荡周期存在着一定的比例关系;当混合浪中风浪条件一定时,系泊船运动量大多随着涌浪波高的增大迅速增大;当混合浪中涌浪条件一定时,风浪波高的改变对系泊船舶运动量的影响较小;在横向波浪作用下,系泊船纵倾运动受混合浪变化影响很小。     

波浪作用下浮体自由升沉运动对月池共振影响研究

当波浪激励频率与月池的固有频率耦合时,月池流体会产生大振幅共振行为,引起流体和浮体的剧烈运动,使工程作业存在一定的安全隐患。该文基于开源流体力学计算软件OpenFOAM~?软件包建立了黏性流数值波浪水槽,对波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振水动力行为进行了研究分析。为验证该数值模型,将其结果与实验数据进行对比,以确保数值计算的准确性。结果表明：在波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振存在双峰现象,而固定浮体仅存在单峰。自由升沉系统两共振频率对应的月池内波幅响应和浮体运动响应的峰值,均随入射波高的增加而减小,共振频率不随入射波高而变化。同时,考虑结构物吃水的影响,发现该系统共振频率随吃水增加而减小,表明吃水对月池内波响应和浮体运动响应均有显著的影响。     

风浪作用下库岸孔隙水压力响应试验研究

大多数水库都存在库岸坍塌问题,库区风浪波高明显高于成库前,风浪对库岸边坡稳定具有重要的影响.采用线性波和椭圆余弦波进行波浪水槽试验.结果表明,库岸内孔隙水压力随着波高、周期、水深的增大而增大,孔隙水压力沿库岸水平和垂直方向衰减速率不一致,浅层衰减较快,深层衰减较慢或已趋于稳定;黏土库岸浅层相应位置的孔压比沙土中的大,沿深度方向黏土中的孔压衰减较快,沙土库岸底层中相应位置的孔压比黏土中的大;沙土库岸内,线性波作用下孔隙水压力较大.不同波况作用下,孔隙水压力差值随波高增大而减小,随周期增大而增大,随水深增大其变化很小.     

椭圆余弦波作用下沙纹床面附近涡流运动特性

沙纹床面附近的涡动分离及其运动过程显著影响床沙的输运。该文采用Open FOAM开源程序包建立基于原始Navier-Stokes方程的三维数值模型,使用VOF方法追踪自由液面,利用k-ε湍流模型捕捉复杂的涡流运动,对波浪作用下沙纹床面附近涡流运动特性进行研究。结果表明,受沙纹床面的影响,波浪呈现非线性特征,波高增加、波峰尖锐,且相位有所滞后;一个波周期内涡动首先产生于沙纹背浪侧,并沿背水坡抬升至沙纹峰以上,继而向上游移动;上溯至最大位置后,在下一个波周期影响下转向下游移动直至完全耗散;受分离涡的影响,近底层流场极不稳定,但整体上一个波周期内逆波向流作用较大,这与涡流显著的上溯趋势相同;涡动上溯的最大水平距离ΔX随λ/a的增大而减小,而最大垂向距离ΔZ则无明显变化;上溯过程中旋涡中心点处的湍动能呈现减小趋势,其中ωt=150°之前减小速率较快而后有所减缓。