基于有限元方法对波流场中养殖网箱的系统动力分析

养殖网箱系统在海中除承受静载荷以外还受到波流等动载荷的作用,为确保安全有必要对网箱系统进行动力分析。为此提出一种基于有限元原理的养殖网箱系统动力分析方法,分别对圆形重力式网箱在水流、波浪以及波流联合作用下的网衣变形与锚绳受力进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较分析。结果表明:该方法具有解的稳定性,计算值与实验值比较吻合,较好地反映了网箱系统在波流场中的动力响应特性。     

近岸波浪破碎区污染物运动的数值模拟

波浪斜向近岸传播中由波浪破碎作用所引起的近岸波流体系是近岸非常重要的环境水动力因素,对该区域污染物的运动分布起着重要的影响作用。结合近岸波浪传播的抛物型缓坡方程、近岸波流场数学模型及污染物在近岸波流作用下运动的数学模型,对近岸斜向入射波浪破碎所产生的沿岸波流场中污染物的分布运动过程进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了分析验证。     

三维波流耦合水槽模拟模型

水中结构物通常会受到波浪和水流的联合作用,为了得到作用在结构上的波流荷载,该文基于Flow-3D软件建立了三维波流水槽的模拟模型。为了准确模拟波浪和水流的相互作用,避免将造波边界和水流边界同时叠加在入口边界处,采用质量源造波法来实现内造波。利用Flow-3D的二次开发功能在水槽两端设置海绵层消波区,并结合Sommerfeld辐射边界条件来实现水槽的通流消波。对波浪的传播、波流相互作用试验的流场以及波流和柱体结构相互作用试验的流场进行数值模拟,结果表明:所建立的三维波流水槽模型可以准确地模拟波浪和水流的相互作用以及波流对结构的联合作用,并有效地进行消波,避免了二次反射,可用于波浪和水流联合作用下水中结构物波流荷载的研究。     

强台风作用下近岸海域波浪-风暴潮耦合数值模拟

强台风作用会在近岸海域形成狂风、巨浪、风暴潮等极端环境,严重威胁跨海桥梁等近海工程结构安全。该研究采用Holland模型风场叠加宫崎正卫移行风场和ERA-Interim风场模拟台风风场,探讨了不同的最大风速半径经验公式对风场的适用性,同时驱动SWAN+ADCIRC波流耦合模式,模拟了强台风"玛莉亚"下台湾海峡及近岸海域波浪-风暴潮的发展过程,并分析了近岸海域波浪、风暴潮的分布特点。为证明方法的可行性和准确性,采用风、浪实测资料对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明,叠加风场和TPXO潮汐模式共同驱动的SWAN+ADCIRC波流耦合模式,可以较好地模拟台风期间近岸海域波浪-风暴潮的生成与发展过程。     

圆形重力式网箱浮架结构在波浪作用下的运动响应

依据Stokes二阶波浪理论和莫里森(Morison)方法,对圆形重力式网箱的浮架结构在两种锚碇系统(折线形和直线形)的作用下,浮架上特定点的运动轨迹进行了数值计算与水槽试验,比较结果发现在研究的波况下浮架的运动位移受波长影响较小,而与波高关系密切,在锚碇系统的约束下水平位移远小于垂向位移。数值计算与试验数据吻合较好,表明了此计算方法的可行性,为进一步模拟浮架结构的受力与变形打下基础。     

深水铰接塔平台的非线性动力特性分析

研究了铰接塔平台在波浪和海流作用下的非线性动力特性。将平台顶部工作单元简化为集中质量,塔柱和浮力仓简化为均匀直杆,建立了铰接塔平台动力分析模型。考虑海流和波浪对平台的作用,应用Morison公式计算铰接塔平台瞬时位置所受水动力,依据拉格朗日原理建立了铰接塔平台的强非线性运动方程。分别考虑波浪作用和波流联合作用,采用数值计算的方法研究了铰接塔平台超谐共振和混沌运动。研究表明,波流联合作用下平台的超谐共振运动响应增加,在大幅和较高频率波浪激励下,平台系统出现混沌运动。     

圆环在波浪作用下的非线性流固耦合分析

将深水抗风浪网箱的重要结构单元——浮架简化为圆环,基于流固耦合理论,建立了圆环在波浪作用下的平面外的非线性运动、变形的方程。并且利用模态叠加法进行求解,对其在实际受力情况下的运动和变形进行了数值计算。结果显示:在圆环弹性位移的前三个模态下变形较大,流固耦合效应很重要。     

水中悬浮隧道锚索在波流场中的涡激动力响应

建立了水中悬浮隧道的锚索在波流场中顺流向涡激振动的数学模型,并考虑了波浪作用下,悬浮隧道的运动引起的强迫激励和参数激励对锚索顺流向涡激振动的影响。应用Galerkin方法和数值积分法,计算分析外激励频率对锚索顺流向涡激振动的影响。计算结果表明,外激励作用下锚索顺流向涡激振动的振幅明显增大,且当外激励频率接近锚索一阶自振频率时,振幅达到最大值。     

波流与不均匀海域上浮式弹性板相互作用的非线性数值模拟

波流混合作用下浮式弹性板的水弹性响应属于非线性范畴,尤其当波流传递到不均匀海底时,这种非线性行为更为复杂,因而采用完全非线性分析技术是唯一可能获得浮板精确水弹性响应的方法。采用高阶边界元法建立模拟波流与变水深海底上浮板相互作用的时域完全非线性二维数值水槽;将Euler-Bernoulli-von Karman非线性梁模型加入到流固交界面的动力学边界条件中实现波流与浮板耦合作用,运用4阶Runge-Kutta法并联合混合欧拉-拉格朗日方案对瞬时自由水面和流固交界面进行更新;为获得浮板位移的空间各阶导数,使用一系列模态振型函数来近似当前时刻浮板的垂向位移,并利用Galerkin方法求解各阶模态主坐标。通过与无网格数值已知算法结果进行比较,验证了数值模型的可行性和准确性;进一步研究水流及不均匀海底的存在对浮板非线性水弹性响应产生的影响;最后探讨了不同流速对浮板高阶谐位移的影响规律。     

抛石防波堤堤内波浪运动的数值模拟

将抛石防波堤认为离散介质结构,根据抛石防波堤内块体随机堆放的特点生成断面,对块体间的孔隙域划分网格。基于二维粘性不可压缩流体的N-S方程和流体自由表面处理的VOF方法,建立了波浪作用下堤身内部和前后流场的有限元数值模拟模型,对堤内的波浪运动进行了数值模拟。数值计算结果与波浪水槽模型实验结果基本吻合。对不同孔隙率和块体粒径的抛石堤计算结果表明,抛石堤内的波浪场受到很多参数的影响,孔隙率越大波长越长透射系数也越大,块体上的受力随着防波堤孔隙率以及块体平均半径的增加而减小。     

Fully nonlinear wave-current interactions and kinematics by a BEM-based numerical wave tank

A numerical wave tank (NWT) with fully nonlinear free-surface boundary conditions is developed to investigate nonlinear wave–wave and wave–current interactions and the resulting kinematics. In the present paper, the variation of wave amplitude and wave length of a monochromatic wave under several different speeds of steady uniform currents is studied through direct numerical simulations in the time domain. The nonlinear wave–current interactions are solved using a boundary integral equation method (BIEM) and a Mixed Eulerian–Lagrangian (MEL) time marching scheme. Both a semi-Lagrangian approach and Lagrangian (material-node) approach are employed and their performance is compared. A regridding algorithm based on cubic spline fitting is devised for updating the free-surface moving boundary in a stable and accurate manner. The incident waves are generated by feeding prescribed analytical waves on the input boundary. An efficient artificial numerical beach is devised and applied to dissipate wave energy and minimize wave reflections from the downstream wall. Nonlinear wave kinematics as a result of nonlinear wave–current interactions is calculated and the results are compared with a multi-layer Boussinesq model. The spatial variation of nonlinear wave profiles and kinematics affected by currents are also addressed and discussed.     

基于抗剪承载能力设计的多层钢板剪力墙抗震性能试验研究

通过基于剪力墙板“屈服前屈曲”抗剪承载力设计准则设计的钢框架-薄钢板剪力墙原型结构,按1/4缩尺设计的三层试件进行水平低周反复荷载试验,得到了多层薄钢板剪力墙结构在水平荷载作用下的抗侧刚度、结构耗能、水平剪力和倾覆力矩在钢框架与剪力墙板之间的百分比分配、剪力墙板平面外位移及主拉应力的倾角,结果表明:结构的水平抗侧刚度随着荷载加载等级的增加而逐渐减小,但减小的幅度却越来越小;试件的耗能能力很强,结构在最后一级加载循环时消耗了6.7倍的屈服能;各层的耗能量随着加载位移的增加而逐渐变大,二层的耗能量最大,顶层次之,底层最小;在结构处于第1级加载的弹性状态时,剪力墙板承担的水平荷载比例约为60%~65%,钢框架承担的倾覆力矩比例约为80%;剪力墙板的主拉应力倾角变化范围为30°~51°。     

Numerical modelling of wave-induced currents in a breakwater situation

A numerical model system is developed to describe waves and wave-induced currents in a breakwater situation, where refraction, diffraction, reflection and wave–current interaction may all play important roles in the transformation of waves. A turbulence transport model is employed to estimate the eddy viscosity, and the friction factors associated with the major variables are clearly defined using a high level closure of combined flow bed friction. The model system is tested against a laboratory situation, and the effects of reflection are demonstrated on the wave-induced currents as well as on the wave distribution.     

长周期地面运动和SSI效应对风机动力响应的影响

针对建设在软土地基上的大功率风机结构,需要同时考虑长周期地面运动和土-结构相互作用(SSI)的影响.为了全面研究长周期地面运动和SSI效应对风机塔筒结构动力响应的影响,首先基于某1.25 MW变桨距风机结构建立了包含叶片、机舱、塔筒和基础的结构整体有限元模型,并进行了模态分析.其次在世界地震记录数据库中选择了1条普通波...     

板-网结构浮式防波堤消浪性能的试验研究

水深较大时,固定式防波堤不再适用,而相比之下,浮式防波堤具有轻便、机动、经济及良好的海水交换功能等特点。因此为保障深水养殖网箱在风浪中的安全,采用浮式防波堤进行掩护是唯一可行的工程措施。提出了一种新型的浮式防波堤结构型式——板-网浮式防波堤。通过实验室物理模型试验,研究波浪周期、平板宽度、网衣数目、平板刚度以及水流方向和速度对波浪透射系数的影响。试验采用规则波浪,水深为20m,波高为2.5m、4.5m和6.0m,周期为6s～10s。试验结果表明,采用该种浮式防波堤具有较好的消浪效果,但具体参数需根据当地波浪、水流条件而定。     

平行裂隙群岩体强度与破裂特征的试验研究

为考察含平行裂隙群岩体的强度特征及裂纹扩展规律,结合数字照相量测系统,对不同裂隙倾角下类岩石试样进行了单轴压缩试验。试验结果表明,受裂隙群的影响,试样的力学参数发生一定的劣化,峰值应力和弹性模量的劣化程度分别在10.84%~35.62%和9.79%~54.17%;随着裂隙倾角的逐渐增大,试样峰值应力呈现出先减小后增大的“U”型变化特征,θ为45°时达到最小值。试样破裂形式与裂隙倾角θ 密切相关,θ为15°和30°时,次生裂纹以倾斜裂纹和中部裂纹扩展为主,试样失稳破坏模式主要由倾斜裂纹主导;而θ为45°、60°和75°时,次生裂纹主要为翼裂纹和共面裂纹,且试样失稳破裂模式主要取决于共面裂纹。     

防风单点系泊系统试验研究

通过对特定船舶的系泊物理模型试验,研究了浮筒式防风单点系泊系统在风、浪、流单独作用和组合作用下的运动规律和动力响应,并进一步研究了环境因素(强风、浪、流)大小、系泊线长度和刚度等因素对系统运动和动力的影响.研究发现了风、浪、流联合作用存在明显的耦合效应,并探讨了减小防风系泊力的措施,为防风单点系泊系统的研究和应用提供了...