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。     

多圆柱墩群上波浪力的精确解及计算分析

本文在分析现有文献基础上,研究了多圆柱墩群上波浪力的精确解,给出了不等径四个圆柱情况下,各柱面上的压力分布,各柱面上的波浪力以及群墩上总波浪力的计算公式,并编制了一个可自动满足精度的计算波浪力的通用FORTRAN程序。 结合生产实践需要,最后给出了四等径圆柱情况下的计算结果和数值解结果,并与实验值进行比较。     

用三维时变雷诺方程模型模拟小尺度组合桩柱上的波浪力

该文以雷诺时均的Navier-Stokes方程为控制方程，用k-ε模型来封闭湍流模型，采用VOF方法来跟踪波动自由表面，建立了三维数学模型。然后对波浪与小尺度孤立柱的相互作用过程进行了数值模拟，得到了时变的波浪力，然后用实验资料进行了验证，并且和Morison方程的计算结果进行了比对。然后利用验证过的模型模拟了三维波浪场中两个不同间距的纵向排列的小尺度桩柱上所受的波浪力，得到了两个桩柱的干扰系数和间距的关系。计算方法和计算结果对此类结构物的设计施工有一定的参考价值。     

海上桩基支撑结构不规则波波浪力实验研究

该文针对几种典型桩基支撑结构,实施了一系列不规则波波浪物理模型实验。通过分析波浪力和波要素等实验结果与桩基支撑结构几何特征尺寸之间的关系,提出了当量直径的概念。归纳了统一的桩基支撑结构不规则波波浪力经验公式,同时在此公式的基础上探究了群桩系数的变化规律。     

孤立波作用下破碎区单圆柱附近流动特性数值研究

为了合理分析孤立波作用下破碎区单圆柱附近的水流结构以及圆柱受力特性,该文利用OpenFOAM开源程序求解基于Navier-Stokes方程的三维数值模型,该模型采用S-A IDDES湍流模型,使用修正的VOF方法捕捉自由液面。研究发现,该数值模型能合理捕捉到孤立波与圆柱相互作用过程中复杂的液面形态变化;圆柱附近自由液面沿柱面呈三维分布,上爬过程的柱前雍高显著大于回落过程的柱后雍高;回落过程中柱前形成的尾涡在强度和范围上大于上爬过程中柱后形成的尾涡;圆柱表面的动水压强随水深的增长呈近似线性增长,最大值位于上爬过程中最大雍高时刻的迎浪点位置;圆柱所受的波浪力与柱面附近自由液面雍高历时相符,且上爬过程圆柱受到的波浪力明显大于回落过程。     

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。     

波浪对非淹没水平圆柱作用的数值分析

该文选取URANS方程为控制方程结合k-?湍流模型,采用Level-Set方法追踪自由面,建立一种用于研究波浪与非淹没水平圆柱作用问题的二维数值模型。运用该数值模型对较小KC数条件下波浪与单个以及两个串联非淹没水平圆柱作用问题进行深入的探讨。结果表明,在单个非淹没水平圆柱工况中,不同波幅以及淹没深度条件下数值模型对水平圆柱竖直方向波浪力随时间的演化曲线做了准确预测,并揭示了波幅以及淹没深度对圆柱波浪力的影响规律;在两个串联非淹没水平圆柱工况中,圆柱间距对上游圆柱波浪力的影响较为明显:圆柱间距较大时,上游圆柱波浪力的大小以及演化规律与单个圆柱工况相近;而圆柱间距较小时,上游圆柱波浪力负向峰值明显增加。     

非对接分区结构网格中的数值计算方法

利用有限体积方法在非正交网格系统中建立了非对接分区结构网格数值求解模型,给出了分区结构风格交界面的数据结构形式及数值计算方法,采用SIMPLE算法编制了计算程序;对后台阶绕流进行二分区流场计算,并与实验结果比较,具有很好的一致性;同时对无限流场中和非对称平板间的圆柱绕流进行了分区计算。结果表明,本文建立的分区交界面数值计算模型是可靠的,可用于处理几何形状复杂的流场模拟。     

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。     

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。     

Lorentz力对弱导电流体中圆柱受力的影响

电磁力（Lorentz力）可以改变弱导电流体边界层的结构,从而影响物体受力状况。该文将电磁激活板包覆在圆柱表面,置于弱电解质溶液中,从实验上测试并分析了Lorentz力对圆柱所受阻力的影响。为了揭示其影响过程的内在机理,对此现象进行了细致的数值研究,着重讨论了Lorentz力对圆柱阻力的各种组成部分的因素,揭示了Lorentz力主要通过改变圆柱表面涡量梯度及涡量来影响圆柱受力变化的内在过程。结果表明,在一定范围内,随着Lorentz力的增大,圆柱的表面涡量增大,流体分离点后移,表面涡量,阻力的振动幅度减小至零,圆柱所受阻力减小。     

有限深度均匀水流中桩柱阻力测试研究

为解决实际工程中桩基码头与桥墩的水流绕流阻力计算问题,在归纳总结已有研究成果的基础上,采用自制的测力设备对有限深度均匀水流中桩柱阻力进行了测试研究。结果表明:方桩的横向阻力影响程度较圆柱严重,流态的不同导致不同的桩柱绕流阻力特性。     

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。     

基于三维数值模型高桩梁板式码头稳定性分析

采用数值模拟软件对高桩梁板式码头结构建立三维模型,对桩基承载特性进行研究,分析结构的稳定性。通过计算不同荷载状况下桩基的特征横向位移曲线和竖向位移曲线,分析了撞击力和系缆力分别作用时对码头结构的整体受力变形的影响,可为码头结构的选型、结构设计及施工提供建议及参考。     

随机波浪力连续场的降维模拟

根据水质点的水平速度和加速度过程的功率谱密度,利用线性化的Morison方程,从平稳随机过程自相关函数的角度推导了随机波浪力的功率谱密度函数。在平稳随机过程的源谱表达基础上,通过将标准正交随机变量集定义为仅含1个基本随机变量的正交函数形式,实现了随机波浪力连续场的降维模拟。同时,结合快速傅里叶变换（FFT）技术,给出了随机波浪力连续场降维模拟的快速算法。应用该方法对某一单个小尺度直立圆柱桩所受的随机波浪力进行模拟,给出了随机波浪力过程的均值、标准差、自相关函数及互相关函数等数值特征,并与Monte Carlo方法的结果进行对比分析。研究表明,降维模拟方法具有较高的模拟精度与效率。     

大尺度柱状结构物波流荷载研究

大型深水工程往往面临水深、浪大以及流急等复杂自然条件,将受到巨大的水平波流力,在工程设计中需准确考虑波流力的大小.通过在波流水槽进行圆柱、方柱和矩形柱波流力系列试验,进行大尺度柱状结构物波流荷载研究,同时建立数学模型,应用边界元法求解大尺度柱体上的波浪荷载,编写了Fortran程序计算波浪力,运用柱体绕流理论计算水流力.对比分析试验结果和数值计算结果提出了波流力工程计算方法:对于深水大尺度柱状结构物波流力可由波浪力线性迭加水流力再乘以1.04得到,计算中波浪要素采用水流影响下的要素,水流力采用柱体绕流求得.按此方法计算波流力,并与物理模型试验结果进行对比,两者误差较小,满足工程设计的精度要求.     

水下桩腿长度对带支腿浮式结构水动力系数的影响分析

风电安装船是带支腿浮式结构,而水下桩腿长度对船体在波浪中的动力响应会产生较大的影响。究其原因就是水下支腿的存在导致结构所受水动力不同于普通无支腿船体。为了研究水下桩腿长度对水动力系数大小的影响,该文利用三维势流理论对桩腿收放过程中不同阶段的水动力系数进行了数值计算,给出了不同工况下带支腿浮式结构在波浪中运动的6个自由度水动力系数与波浪频率的关系。研究结果表明:桩腿水下长度对带支腿浮式结构水动力系数的影响较为明显,除垂荡运动外,附加质量随桩腿在水下的长度的增加而增大;当波浪频率处于低频或高频时,桩腿的水下长度对附加阻尼的影响较小,而当波浪频率处于中频时,附加阻尼系数随运动状态的不同表现出不同的规律。此外,还分析了桩腿对带支腿浮式结构湿固有频率的影响,结果反映出桩腿在水下的长短对结构的湿固有频率有明显的调制作用。     

作用于串列双桩桩列上的波流力

本文通过实验研究测定了双桩串列时在不规则波和水流共同作用下在不同桩距条件下桩柱所受的正向力与横向力,分析了正向力、横向力及其合力的时域及频域特性,给出了正向力和合力群桩系数随相对桩距和KC数的变化规律,文中还探讨了双桩串列时的合力值及其方向与单桩时的合力值与方向的比较。     

多向聚焦波浪作用下直立圆柱受力的实验研究

利用波能聚焦的方法在水池中模拟产生多向聚焦波浪,研究了多向极限大波作用在垂直圆柱上引起的波浪力的特点。实验中研究了不同的波浪参数,如聚焦波幅、谱峰频率、频率宽度和方向分布等多向聚焦波浪对圆柱作用的影响,并将实验结果与二维实验结果进行了比较。结果表明聚焦波浪参数对圆柱作用力具有明显的影响,并且实验结果与二维规则波结果相当,但比二维聚焦波浪实验结果要小。     

均匀流中矩形排列圆柱桩群阻力测试研究

为解决港口码头工程中圆柱桩群的水流绕流阻力计算问题,以指导涉及圆柱桩群的物理模型试验和数值模拟计算等科研工作,在归纳总结已有的科学研究成果的基础上,通过先进的测力设备和较为科学的悬浮测力法,对有限深度均匀水流中圆柱群绕流进行了阻力测试研究。通过对测试数据的科学分析,得出了圆柱阻力系数CD与雷诺数Re的关系曲线及横向排列两圆柱的阻力特性规律和沿水流流向排列两圆柱前柱对后柱阻力的遮流影响规律,并继而归纳出较为准确的无迎流角矩形排列圆柱桩群阻力计算经验公式。