基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。     

大陆架建筑物冰荷载的概率模拟

大陆架建筑物的冰荷载是危险的外荷载形之一。为了研究作用在建筑物上的这种荷载，建议采用冰特性的概率模拟方法，并结合使用冰荷载计算的确定方法。由此可估算出可能在全部使用期内有影响的给定保证率的极限冰作用力，并为评估循环冰荷载作用下的结构内发生的疲劳效应提供必要的信息。     

基于离散元方法的竖直群桩冰荷载分析

在高纬度海域或高寒地区的江河中,碎冰对海洋平台桩腿和桥墩等直立群桩结构产生很大的冲击作用,并在一定条件下造成不同程度的破坏。依据碎冰在自然条件下的离散分布特性,采用Voronoi切割算法构造随机分布和具有非规则几何形态的碎冰初始状态,在此基础上采用若干个具有黏结-破碎功能的球形颗粒构造具有一定厚度、尺寸和形状等物理参数的河冰离散单元模型,将竖直群桩简化为刚体结构,从而对碎冰的运移及其对群桩的冲击作用进行数值模拟。在此基础上可确定碎冰撞击下的群桩冰荷载,并分析冰块尺寸、冰速和冰厚对桩结构所受冰荷载的影响。     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

松花江依兰航电枢纽冰荷载计算方法研究

松花江依兰航电枢纽的主泄洪闸闸墩和引航导堤堤头都是流冰冰排主要作用的结构或部位,将其作为计算对象,用国内外有关计算公式对其承受的冰荷载进行初步校核,并比较所搜集的冰荷载计算公式对当前枢纽工程结构的适用性,选择出适于松花江冰情特点的计算公式。     

冰模拟实验与水利工程

冰及冰凌的威胁是与人民生命财产安全密切相关的重大问题。由于冰问题的复杂性，可靠地确定冰荷载的方法应该是：理论（包括公式计算）的方法与室内模型实验或现场观测密切结合，因此冰模拟实验已成为工程设计及工程论证不可缺少的工具。通过对冰模拟实验以及低温冷冻模型冰特性的论述和水工结构物冰荷载模拟实验的实例，阐述了冰模拟实验技术对水工建筑物冰问题研究的必要性和适用性。     

内河船舶航行阻力及通航水力指标计算

以山区河流澜沧江为代表,采用实船静水航速试验资料,对原兹万科夫公式进行了修正,提出了适合于澜沧江代表船舶的水流阻力计算式.对比其他山区河流船舶航行阻力的研究成果,讨论了内河船舶的航行阻力计算方法.结合坡降阻力计算,建立了澜沧江急流滩的通航水力指标,并与其他内河航道的通航水力指标进行了比较分析,明确了各典型内河航道通航水力指标与航道条件的关系.     

海冰单轴压缩强度影响因素分析

海冰压缩强度是冰区海洋结构安全设计的重要参数之一,确定海冰物理特性对其单轴压缩强 度的影响有利于确立冰区海冰荷载。通过分析国内外已建立的海冰压缩强度与物理参数的关系式,发 现了这些关系式的适用性和局限性。基于室内实验的方法,对辽东湾和黄海海域的海冰进行了单轴压 缩实验,分析了不同物理参数（加载速率、盐度、温度）下海冰试样的破坏特征及应力应变曲线特征,结果 表明压缩强度的极值与加载速率的三次曲线函数相关,与卤水体积平方根的负幂函数相关。通过对 ＩＳＯ19906（2010）规范中的海冰压缩强度公式的修改,拟合出了辽东湾海域及庄河海域海冰压缩强度在宽 加载速率范围的计算公式,此公式在宽应变速率范围内具有较好的拟合度。     

海上风电场单桩基础锥体结构冰荷载显式动力分析

针对渤海某 3MW 单桩式海上风电场进行了抗冰锥结构设计,并通过 LS－DYNA 软件对直立桩结构及加装的锥体结构冰荷载进行显式动力分析。通过分析冰排在直立桩和锥体结构前的破坏模式及破坏特点,获得冰力时程曲线及冰力值,将有限元分析结果与规范公式的计算结果进行对比分析。通过改变抗冰锥锥角,研究不同锥角情况下结构冰荷载的变化规律。结果表明,直立桩冰荷载数值分析结果与规范公式计算结果较为接近,锥体结构冰荷载数值分析结果与 Ｒalston 公式计算结果相差较小,冰荷载水平分量随锥角的增加而显著增大,而竖向分量则随之降低。显式动力分析结果可为单桩式海上风电结构抗冰锥冰荷载估算及锥体结构尺寸优化提供参考。     

闸墩冰荷载及过冰能力的模型试验研究

本文针对我国东北地区某航电枢纽设计中泄洪闸闸墩的冰荷载以及流冰期排冰的问题进行了对应的物理模拟试验。通过孤立闸墩和双闸墩的冰荷载试验，证实了边界条件对冰荷载的影响，获得了边界影响系数.同冰速的试验也证明，冰速对于冰力具有明显的影响。文中将试验结果与理论公式计算进行了比较并提出了作者的看法，可供工程设计人员参考。根据现场实测资料，进行了三种江面冰排不同分布和密度的闸墩过冰能力的定性物理模拟试验，阐述了现有工况下闸墩间流冰通过的可能性。     

船舶在波浪中大幅度运动的工程算法

本文基于切片理论，计入船体运动时湿表面及其对船体流体动力性能的影响，提出了一种船舶在波浪中大幅度运动的工程估算方法，并通过对一系列６０船型计算，考虑了船舶在迎流中大幅度运动昱的运动特性、与波面的相对运动和船体瞬时受力。这一方法简单实用，对船舶方案设计有积极的意义。     

Satellite SAR Remote Sensing of Great Lakes Ice Cover,Part 1. Ice Backscatter Signatures at C Band

For remote sensing of Great Lakes ice cover, a field experiment campaign was conducted in the 1997 winter season across the Straits of Mackinac and Lake Superior. The campaign was coordinated in two expeditions on two different United States Coast Guard icebreaker vessels, the Biscayne Bay in February and the Mackinaw in March. Aboard these icebreakers, the Jet Propulsion Laboratory C-band polarimetric scatterometer was used to measure backscatter signatures of various ice types and open water at incidence angles from 0° to 60°. The radar measurements include incidence angles and polarizations of spaceborne Synthetic Aperture Radars (SAR) on ERS, RADARSAT, and Envisat satellites. The radar data together with in situ measurements form a signature library that can be used to interpret SAR data for ice classification and mapping. Results are presented for backscatter signatures of Great Lakes ice types from thin lake ice to thick brash ice with different snow-cover and surface conditions. The signature library indicates that several ice types can be identified with multi-polarization SAR data; however, single-polarization data can result in misclassification of ice and open water at different ranges of incidence angle and wind conditions. For incidence angles larger than 30°, thick brash ice, the most difficult for icebreaking operations and the most hazardous for ship navigation, can be uniquely identified by co-polarized backscatter for all wind conditions below the gale force.     

NUMERICAL SIMULATION OF TRANSIENT FLOW AROUND A SHIP IN UNSTEADY BERTHING MOTION

Ship berthing is a specific maneuver operation. The flow around a berthing ship and the forces acting on the hull are quite different from those for a ship in normal navigation. By solving the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, the transient flow field around a ship undergoing unsteady lateral motion is simulated and the varying lateral hydrodynamic force acting on the hull is evaluated in this article. The numerical results obtained with different turbulence models are analyzed and compared with experimental results and other numerical results published in literature, and a turbulence model more suitable for simulation of the viscous flow around a ship undergoing unsteady berthing is determined.     

滑坡涌浪影响下船舶航行限制范围试验研究

三峡库区滑坡时有发生,滑坡产生的涌浪对航道中的船舶航行安全构成巨大威胁。以万州沱口码头河段为原型,设计岩体滑坡涌浪物理模型试验。试验中测得不同工况下首浪高度和沿程涌浪高度,运用回归分析方法得到首浪高度和沿程涌浪衰减的经验计算式,并由此推算得出船舶航行限制范围的计算式。运用船舶模型试验的方法对船舶航行限制范围计算式进行了验证,同时对波流场中如何计算进行说明。船舶航行限制范围的确定可为船舶避险措施研究提供重要依据,对减少滑坡涌浪对船舶损坏及人员伤亡具有重要的现实意义。     

兴波阻力数值预报方法研究及其在集装箱船船型优化中的应用

集装箱船作为一种中高速船,其兴波阻力在总阻力中所占比例较高。从某种意义上讲,船型优化就是寻求最小兴波阻力的船型。本文采用基于势流理论的面元法预报集装箱船的兴波阻力,对两种计算兴波阻力的方法进行了研究比较：第一种是改进的Dawson方法,传统的Dawson方法采用静水面上的叠模流线网格,而改进的Dawson方法是采用静水面上的贴体网格来计算兴波阻力;第二种方法是单模流动法。文中利用这两种方法计算了两条集装箱船,通过和试验值比较,发现这两种方法在设计航速附近的一定范围内都能正确地识别船型变化对兴波阻力的影响,验证了这两种数值预报方法都可以用于船型优化。但是改进的Dawson方法的计算结果更接近实验值,因此改进的Dawson方法更适用于船型优化。     

湍流模型在船舶计算流体力学中的适用性研究

采用CFD 技术研究船舶黏性流场,能提供迅速的、准确的和低成本的船舶水动力性能以及全面、精细的流场信息预报结果,将有望成为船舶航行性能预报和优化的主要手段之一.通过总结前人对各种湍流模型在流场计算中的应用研究,对船舶CFD中湍流模型的选择方法进行了讨论.并采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型及SST k-ω 模型分别对集装箱船、油船和散货船绕流流场进行了数值计算,通过对流场分析及与试验结果比较得到了一些有意义的结论.     

TIME-DOMAIN ANALYSIS OF WAVE FORCES ON SHIPS WITH FORWARD SPEED

Analyses of wave forces on Wigley and Series 60 ships at forward speedare presented in time domain which is based on a free surface transient Green functionwith linearized condition. The main effort focus on the investigation of the numerical sta-bility of time stepping calculation and the waterline intergal contribution to the excitingforces. Numerical study shows that the stable results can be obtained when a wall-sided as-sumption is used at the stern only and the effect of waterline can be neglected. Compar-isons have been made between the present time domain calculations and other works. Nu-merical results for the added resistance on a C_B=0.8 ship in short waves are presentedbased on the assumption that the steady disturbance of ship hull can be neglected.     

三峡库区滑坡涌浪作用下船舶锚链拉力试验研究

长江是我国最重要的内河航道, 号称“黄金航道”,航道内船舶数量众多,因装卸货物等原因处于锚泊状态的船只十分常见。三峡工程蓄水后,库区滑坡频发,滑坡产生的涌浪很可能使船舶锚链发生断裂,造成巨大的人身伤害和财产损失。目前主要采用理论分析和经验分析的方法对船舶锚链及受力进行研究,物理模型试验的研究分析较少,因而在设计锚链拉力时可能会与实际情况有较大出入。通过岩体滑坡涌浪物理模型试验研究不同工况滑坡体情况下位于滑坡附近河道弯道段和直道段船舶锚链拉力的变化情况,得到涌浪传播过程中船舶首尾锚链拉力的变化规律,分析得到不同波高、周期及水深情况下船舶锚链拉力的变化规律,运用多元回归分析得到最大锚链拉力的经验计算式。研究结果可为三峡库区船舶安全管理提供相应参考。     

WAVE MAKING COMPUTATION IN TIME DOMAIN FOR MULTI-HULL SHIPS

1. INTRODUCTION For high-speed displacement ships, the wave making at the free surface is an important hydro- dynamic performance. The wave making reduction has attracted more attention for ship designers. The ship wave resistance and ship hull form improvement have been widely investigated. The thin ship theory adopting the Havelock source distribution on the ship centerline plane can be used to analyze the ship wave making profile and the ship wave resistance may be obtained by ship wav…