高桩承台基础波流荷载数值模拟

为研究高桩承台基础在波流作用下的荷载时程特点和压力分布规律，开展某跨海大桥桩-承台复合基础的数值模拟研究。根据Stokes二阶波理论进行数值水池造波，采用雷诺平均应力方程（RANS）求解流体运动方程，计算得出3种淹没系数（0～1）下高桩承台基础的各部分水动力时程及其表面压力分布；应用流体体积函数（VOF）追踪液面形态模拟波浪形态时程。研究结果表明：（1）淹没系数较大时，承台水平力较大且主要来自波流联合作用，尾流区绕射波浪会产生负向水平力和负向浮托力，承台迎波面及顶面后方存在压力波动极值区；（2）随着淹没系数的降低，承台水平力减小，水平力主要以波浪拍击力为主，竖向浮托力、单桩水平力随之增加，尾流区绕射效应降低，承台压力极值波动区缩小直至消失；（3）桩基正向水平力最大值出现在边列最后排桩；负向水平力最大值出现在中列最后排桩。研究所得总力时程和压力分布规律可为优化结构设计提供参考。     

基于全非线性层析水波理论的波群时历模拟研究

为了研究波群作用下的船舶参数激励横摇特性,该文引入了高阶无旋层析水波理论（HLIGN）开展波群的数值模拟研究。结合C11集装箱船顶浪不规则波参数横摇模型试验的测试数据,选取目标波群样本,通过二阶非线性造波理论获得了波群造波水池试验结果。利用全非线性波浪模型对波群进行数值模拟,给出了波群模拟时的造波边界设置和计算参数设置方法,并通过与物理造波结果对比发现,HIGN波浪模型对波群模拟有较高的精度,可很好地模拟波群的非线性传播特性。     

聚焦波浪与直立圆柱作用的数值模拟

基于Fluent平台建立了可用于波浪传播模拟的数值计算水槽,利用不同波浪参数的线性规则波模拟分析了网格尺度L/Δx对产生波浪质量的影响,确定数值水槽的网格划分尺度,并验证了阻尼消波的有效性。在此基础上,用模拟频谱的方法对聚焦波浪的传播进行了数值模拟,通过数值模拟与物理试验不同位置处的聚焦波波面和聚焦点下水质点速度时间过程线对比,验证了模拟频谱方法数值计算的有效性。进一步对聚焦波浪与直立圆柱的作用进行了数值模拟,数值模拟聚焦波面过程、聚焦波浪水质点速度、圆柱周围波浪波动过程、圆柱上所受的波压力等,并与试验结果进行了对比,数值计算结果与试验结果吻合很好,验证了所建立的数值水槽的有效性。对聚焦波波面和压力特征值进行了误差分析,并分析了误差的产生原因,为进一步研究聚焦波浪与工程结构物的作用奠定基础。     

规则波对大直径群桩作用的数值模拟研究

多桩柱结构在海洋工程中应用广泛,大直径群桩效应使得桩柱所受到的波浪力与单桩大为不同。首先使用基于势流理论开发的三维水动力分析程序DIFFRACT计算了单个圆柱和双圆柱所受到的波浪力,通过与相应解析解的对比验证了数值结果的准确性。进一步分析了大尺度多桩柱结构在规则波中所受的波浪力。群桩间的水动力相互作用使桩群中每个圆柱所受的波浪力存在多个峰值,其最大值可达单个圆柱所受波浪力的2.30倍,并且最大波浪力圆柱的位置受桩群布置的影响。     

考虑动水压力的输水隧洞-层状地基地震响应分析

基于比例边界有限单元法和连分式渐近展开构建的层状地基高阶双渐近透射边界具有全频范围内快速收敛的高阶精度和很高的计算效率,将高阶双渐近透射边界与近场有限元方程相结合,并将隧洞内水体视为理想声学流体以考虑动水压力作用,进行了输水隧洞-层状地基-动水系统的地震响应分析。数值算例分析结果表明：在地震作用下隧洞内壁的附加动水压力数值较大,其影响不容忽略,考虑动水压力后,隧洞结构的加速度和位移响应略微有所增大,表明动水压力对结构的加速度和位移响应影响较为有限;第一主应力和第三主应力数值有较大幅度增加,隧洞内衬混凝土损伤数值和损伤开裂区域较无内水工况对应的数值大。因此,在输水隧洞的地震响应分析和抗震设计中,十分有必要考虑附加动水压力的影响。     

三维波浪作用下土体动态响应

由于波浪和海洋土的特殊性,使得波浪诱发海床土体的动态响应机理非常复杂。本文采用有限元软件建立了三维波浪作用下的海床动态响应计算模型。波浪是以Navier-Stokes方程作为控制方程,并采用VOF法进行自由表面追踪来准确模拟海洋表面波浪运动。土体部分基于Biot动力方程,考虑土体骨架的加速度,以及孔隙水位移的速度场(u-p模型)来研究海床的孔隙水压力和有效应力的变化情况。通过与文献中的结果比较验证本文方法的有效性,并对渗透系数、饱和度和波高参数进行研究。研究结果发现:土体参数对海床的孔隙水压力和有效应力有显著影响。     

规则波中弧形返浪墙的非线性水动力载荷数值模拟

运用基于FLUENT软件平台的二维数值波浪水槽,采用流体体积(VOF)方法处理波浪自由面,应用"解析松弛"方法实现了数值造波-消波。模拟规则波下不同返浪墙断面形式情况下的流场和水动力。应用直墙驻波理论解和物理模型试验结果验证了数值波浪水槽的可行性。比较波浪力的数值模拟与物理模型试验结果可以发现,水动力冲量的均方差小于水动力最大值的均方差,且水动力冲量的误差也小于水动力最大值,说明以冲量作为特征量能更好地描述水动力载荷的变化。在给定堤顶超高的条件下,不同堤脚超高和弧形返浪墙高度的组合对越浪量有明显影响:低弧趾超高和大半径弧面组合有利于降低越浪量,但水动力载荷也较大;高弧趾超高和小半径弧面组合越浪量较大。     

波浪传播的数值模拟与物理模拟耦合模型

此文对于二维波浪的传播建立了数值模拟与物理模拟的耦合模型。模型中,数值模拟采用基于改进Boussinesq方程的三角形网格有限元模型,物理模拟采用推板式造波机。模型的求解采用空间五点的拉格朗日插值和时间的四阶Runge-Kutta格式。通过波浪模拟实验研究了耦合模型在不同波浪要素下的适应性。进一步针对于规则波和不规则波分别建立了实时修正由于造波机造波性能所引起的模拟误差的方法。波浪模拟实验结果表明,耦合边界附近数模结果与物模结果吻合很好,实时修正方法能很好修正由于造波机造波性能所引起的模拟误差,耦合模型和实时修正方法能有效建立起数模与物模的确定性联合。     

基于RANS方法的波流耦合数学模型

基于RANS水动力方程和k-ε双方程紊流模型提出波流耦合数学模型,研究稳定流条件下波浪传播特性。模型采用体积分数法(VOF)捕捉自由液面,在计算区域两端分别给定进口速度和出口压力边界条件来造流,同时使用内部质量源造波法造波。数值模拟结果与相关试验测量数据吻合,表明所建耦合模型可准确模拟波浪与水流相互作用。研究发现波浪周期和水流速度对规则波流相互作用所产生的波面线和速度分布有明显影响。     

基于数值波浪水池的波浪中船舶水动力计算

此文基于CFD方法建立了数值波浪水池,模拟了波浪的生成和传播,并对规则波浪中航行船舶的水动力进行了计算研究.文中讨论了适合船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下数值波浪水池中波浪生成和传播及消波等,模拟计算了多个航速项浪与斜浪航行的约束Wigley-Ⅲ船模的水动力以及项浪中航行船舶的波浪增阻.计算结果与DUT(Delft University of Technology)的试验数据及势流理论的结果吻合良好.对比和研究表明,本文的方法能细致描述船舶周围的流场,且比实验更易实现和控制,在船舶的水动力性能分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究--第二部分:作用于群桩及承台上的波流力

在本系列研究第一部分单桩试验的基础上,对不规则波与均匀流共同作用于斜群桩的水动力特征进行了试验研究。由于群桩效应使得各组成桩的受力不均匀,通过试验研究,分析了群桩中各组成桩及群桩总体折减系数随KC数的变化、受水深及流速的影响。在频域内采用相关函数法进行了谱分析,得到波面谱与波力谱的相关关系。初步讨论了作用在斜群桩和承台结构上的波流力。     

软土中大直径超长群桩位移的实用计算方法

从单桩m法入手,提出了软土中大直径超长群桩位移计算的方法。将单桩分析与承台以及群桩分析结合起来,考虑了底部转角、有效桩长的作用,以及大直径超长群桩受水平力转动所引起的弯曲和压缩的影响。利用Matlab软件,对所推得的公式进行编程,计算验证,讨论了不同桩距和不同桩径时的各种情况。将计算结果代回单桩公式中,可得桩身的位移和应力曲线,整个计算方法成为一个闭合循环的求解过程。以安徽省某长江大桥锚碇基础的群桩为例,选用实际数据进行分析计算,并与三维有限差分法的计算结果进行对比,发现该方法具有较高的实用价值。     

AN EXPERIMENTAL STUDY ON VERTICAL HYDRODYNAMIC FORCE ON A CIRCULAR SLAB NEAR FREE SURFACE BY WATER WAVES

NOMENCLATUTE d—— water depth D—— diameter of slab Fz—— vertical force on slab Fzu1/3——upward force Fzd1/3——downward force g——acceleration due to gravity H——wave height for regular wave Hs——significant wave height for random wave L——wave     

基于Opensees的桩土动力p-y曲线模型研究

桩土动力p-y曲线法在岩土工程中已得到广泛应用。通过Opensees软件中内嵌的Pysimple1材料模型,利用p-y单元建立了土-单桩-承台相互作用简化模型。分析在砂土和黏土p-y单元中的桩身和桩头承台动力响应特点,同时对不同自由场土体长度下桩身和桩头承台动力响应进行了分析。结果表明,砂土p-y单元的桩头承台加速度峰值大于黏土单元,位移峰值小于黏土单元,桩身的剪力、弯矩都比黏土要大。自由场土体长度越短,承台的位移和加速度就越大,当自由场土体长度达到300 m时基本满足计算精度要求。     

单桩柱和波浪双向流固耦合的数值模拟

以单桩基支撑结构为对象,建立模拟波浪和单桩柱结构的三维模型,采用k-ε湍流模型和VOF运动界面追踪方法,实现了桩柱和波浪之间的双向流固耦合模拟,得到了波面三维显示图、流固交界面压力分布图和桩柱结构的受力图。还对桩柱上的最大等效应力做了研究,其变化范围是15 704~16 320 Pa,根据Von Mises屈服准则可知,桩柱在这种波浪条件下是稳定的。     

水—桩—土—桥墩结构体系的地震反应分析

以双柱式桥墩为研究对象,以基于Morison动水压力公式的附加水质量考虑水体对桥墩的影响,考虑了土体和桥墩混凝土的非线性特征,建立了水—桩—土—桥墩结构体系的地震反应分析模型,分析了地震作用下水体对桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响及其动水压力影响系数。结果表明:动水压力改变了桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力的影响更符合工程实际情况。     

输水工程中空心墩的三维有限元分析

在大型输水工程中,空心墩结构被广泛使用,其墩身结构复杂、承受荷载大,应对其结构应力状态进行分析.采用有限元计算方法,分别对空心墩墩帽、墩身和承台的受力状况进行了分析.结果表明:空心墩结构受力条件较好,能够较好地将上部结构荷载均匀传递到基础上,并且节省建筑材料;墩帽在支座处出现最大压应力,墩帽顶部两中支座中间易出现较大的拉应力,结构设计时应予以充分重视;墩帽的支座处、承台与桩基的接触部位存在明显的应力集中现象,应进行相应的抗冲切演算和结构加强设计,防止结构出现冲切破坏.     

Study of fluid resonance between two side-by-side floating barges

The hydrodynamic interaction between two vessels in a side-by-side configuration attracted research attentions in recent years. However, because the conventional potential flow theory does not consider the fluid viscosity, in the hydrodynamic results, the wave elevations were overestimated in the narrow gap under resonance conditions. To overcome this limitation and investigate the complex fluid flow around multiple bodies in detail, this study examines the fluid resonance between two identical floating barges using a viscous flow analysis program FLOW-3D. The volume of fluid method is implemented for tracking the free surface, and a porous media model is used near the outflow boundary to enhance the wave absorption. A three-dimensional numerical wave basin is established and validated by comparison with the waves generated using theoretical values. On this basis, a computational fluid dynamics(CFD) simulation of the two barges in a resonance wave period is performed, and the wave elevations, the fluid flow around the barges, and the motions of the barges are discussed. The numerical simulation is verified by comparison with results of corresponding experimental data.     

不规则波辐射应力的精确解与近似解

波浪辐射应力是波生沿岸流乃至近岸流的主要驱动力。波浪辐射应力的计算将直接关系到沿岸流的大小及其水动力特性。不规则波相对规则波更能反应实际海洋中的波浪运动,因此不规则波作用下辐射应力的计算将更能体现实际沿岸流中的波浪驱动力。通过推导给出不规则波辐射应力计算的精确解与近似解,并对两种计算方法进行了分析比较,在此基础上进一步用波生沿岸流试验结果对近似计算方法中的波能计算进行了验证。结果表明窄谱情况下,不规则波辐射应力的近似计算方法已有较好的精度,可节省大量的计算时间,从而提高计算效率,但精确计算方法更能准确反应各时刻各位置辐射应力的波动状况。     

内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟

桩柱绕流水动力特性直接决定水流对桩柱作用力的分布规律,是内河框架码头水流荷载计算的基础。结合计算流体动力学(CFD),依托内河框架码头实际工程,进行了内河框架码头大直径桩柱串列及并列4桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟,系统分析了不同流速及不同桩间距下桩柱绕流尾流流场形态,揭示了桩柱绕流阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数随桩间距和流速的变化规律。研究了串列及并列4桩柱绕流流场形态和水动力特性,不同流速及不同桩间距下的遮流影响效应、遮流影响系数以及横向影响系数的变化。数值模拟与分析结果可为计算类似内河框架码头水流荷载提供一定的技术参考。