多向不规则波浪作用下群墩结构所受波浪力的实验研究

实际海域中波浪是多向不规则的,波浪的方向分布宽度对作用在结构物上的波浪力具有显著的影响。为了研究方向分布对大尺度群墩结构所受波浪力的影响规律,该文通过物理模型实验模拟了多向不规则波浪与群墩结构的相互作用。通过对波浪荷载的时间过程线进行统计分析得到了作用在墩柱上的正向力、横向力。实验结果表明波浪的方向分布对群墩结构中墩柱所受横向力具有明显的影响。多向波浪作用时,墩柱所受横向力随着方向分布宽度的增大有显著的增大趋势,且后排墩柱受方向分布宽度的影响较前排墩柱更明显。     

不同二阶绕射波浪力理论公式的结果互比

该文研究了一种简单快速回转体的二阶波浪力计算方法,并给出了直立圆柱和截断圆柱的二阶波浪力的计算结果,将所得计算结果与其它3种不同的理论公式的结果进行了对比,验证了该文计算方法的正确性。因该文方法不涉及自由表面上无穷积分,表达式简单、计算速度快,所以更适合快速计算二阶速度势所引起的二阶波浪力。     

超大型结构物受波浪力作用的数值模拟

为了计算波浪效应下超大型结构物所受的波浪力,该文运用σ坐标变换来追踪随时间变化的自由液面,添加了浸没边界法(IBM)来处理不规则结构物表面,建立了基于大涡模拟(LES)方法的三维数值模型。为验证该数值模型的正确定,运用该模型来模拟规则波作用下大直径垂直圆柱的绕射问题,圆柱周围的波浪爬高数值解与解析解吻合良好。运用该三维数值模型,模拟了波浪与南京长江三桥南塔钢套箱相互作用的问题,数值计算出的结构物所受的波浪力与试验数据吻合良好,表明该数值模型能够很好地模拟工程中三维波浪与超大型结构物相互作用的问题。     

近场爆炸时混凝土桥墩的动力响应分析

为研究爆炸荷载作用时混凝土桥墩的动力响应,基于爆炸基本理论,开展近爆作用下混凝土桥墩的数值模拟与破坏模式研究,并通过方柱墩与圆柱墩对比、墩柱配筋方式与爆心位置变化等分析墩柱底部的水平位移和水平速度时程变化,进而研究墩柱的抗爆性能与破坏形态。研究结果表明:同等条件下圆形墩柱的抗爆能力要优于方形墩柱;爆炸荷载作用下墩柱纵向主筋的配置可改变墩柱的破坏形态,且墩柱底部的抗剪能力主要靠纵向主筋提供,箍筋的抗爆作用有限;近场爆炸时地基对墩柱底部的约束作用明显,进行墩柱抗爆设计时,可以结合基于性能的抗震理论实现墩柱底部的塑性铰设计。     

独柱墩-自浮式防船撞装置波浪荷载研究

针对独柱墩-自浮式防船撞装置耦合体系,开展室内波浪力试验并总结相关规律,利用试验结果验证校准AQWA数值模型。根据结构所受波浪压强的分布情况,利用Morison公式提取相应的荷载并得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形式和大小、防撞装置自浮比等影响因素,计算结构惯性力系数和接触力系数与相关因素的定量关系。研究表明：自浮式防撞装置起伏运动产生辐射波浪,使墩柱波压强数值偏大但不改变总体分布趋势。结构间接触力随机变化,可把结构接触力与墩柱波浪力之间的比值定义为接触力系数。计算得耦合体系中墩柱的惯性力系数达到2.175左右,防撞装置的惯性力系数达到2.125左右,接触力系数达到1.340左右。     

平缓岸坡上波浪谱的变形及破碎

文章通过理论分析和实验研究,讨论了平缓岸坡条件下不规则波的破碎指标、波浪谱变形与破碎特点及其计算方法和不再发生破碎的岸坡条件,并与物模实验结果和现场观测结果进行比较,结果吻合较好。     

孤立波作用下圆柱桩波浪力计算方法研究EI北大核心CSCD

为研究孤立波作用下跨海桥梁桥墩受到的波浪荷载以得到孤立波波浪力的简化计算方法,利用计算流体力学软件OpenFOAM模拟海洋孤立波,在不同来流波高和初始水深下,开展了2组仿真试验,三维数值模拟用于直接计算圆柱体上的波浪力,二维数值模拟用于推导Morison方程所需的速度场。对比现有文献,讨论原始Morison方程应用于孤立波波浪力计算的适用性以及孤立波非线性的变化规律,并验证了引入非线性项的修正Morison方程预测孤立波荷载的适用性。研究结果表明:在计算孤立波荷载时,非线性影响不可忽视,随着波高和水深的比值H/d的增大,孤立波的非线性越来越强;相比原始Morison方程,考虑非线性影响的修正Morison方程可以更准确地预测孤立波与圆柱桩间的相互作用;应用修正Morison方程进行孤立波荷载预测时,波浪力参数C D,C M的取值与波高H、水深d、圆柱桩直径D的绝对值无关,仅与H/d有关;基于多组仿真试验结果,给出了0.15≤H/d≤0.65内波浪力参数的取值,可为孤立波荷载的快速计算提供参考。     

各柱做不同辐射运动时截头圆柱群的水动力分析

截头圆柱群是许多海洋浮式结构的主要组成部分。目前对这种圆柱群进行的水动力分析大多考虑将其作为一个整体,此时各柱间无相对位置变化,这并不适用于柱间有相对运动的情况。为此,采用特征展开法研究各柱做不同辐射运动时截头直立圆柱群的水动力相互作用。开展了截头圆柱群中各柱做不同幅值纵荡、横荡和垂荡运动时的波浪辐射分析,并求得流场速度势。在进行算例考核之后,进一步计算了多个圆柱同时做不同模态、不同幅值运动时截头柱群的水动力、压力分布等量,并对结果进行了分析。     

基于贝叶斯更新的深水桥墩波浪动力响应概率模型

海洋环境中的深水桥墩长期受到不规则随机波浪动力作用。传统设计规范中采用的特征波浪计算方法,虽然简单高效,但是无法充分考虑波浪随机性和动力效应对结构的影响。该文以深水桥墩在波浪作用下的动力响应与静力响应之间的概率关系为研究对象,应用贝叶斯更新理论建立简单有效的深水桥墩波浪动力响应概率模型。通过对比深水桥墩动力时程分析结果,验证模型的有效性,并对样本数量和模型形式进行讨论。研究表明:基于贝叶斯更新理论的深水桥墩波浪动力响应概率模型可以快速准确地计算波浪作用下深水桥墩的动力响应,能够有效修正传统静力方法存在的偏差,并可在样本数据非常有限的情况下对深水桥墩的动力响应进行较好估计。     

基于拓扑网格方法的多钝体流致振动分析

多钝体流致振动是一个较为复杂的流固耦合过程,普遍存在于自然界和工程领域。为了减小高幅振动时网格变形引起的计算误差,基于非定常Navier-Stokes方程对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱流致振动进行数值求解,采用耦合界面结合拓扑网格变形技术,实现流体与多个运动钝体之间的耦合计算。将数值结果与实验进行比较分析,验证了该数值方法是处理高振幅多钝体流致振动的有效方法。研究结果表明上游圆柱的存在对下游圆柱流致振动和旋涡形成产生明显影响。串列双圆柱流致振动振幅和频率响应与实验测试趋势一致,清晰观察到了涡致振动初始分支和上部分支;并且当Re8×10~4时,圆柱流致振动由涡致振动向驰振过渡。圆柱尾涡形态随流致振动分支切换发生变化,当驰振发生时,下游圆柱的尾涡形态受上游圆柱影响难以捕捉。随着双圆柱间距增大,低Re时下游圆柱受到上游圆柱的抑制作用减弱。三维多柱体流致振动计算结果更接近实验值,如何提高三维数值计算速度将是下一步研究工作的重点。     

漂浮式光伏电站方阵环境载荷计算方法研究

针对我国建成的全球首个单体容量达到40 MW的漂浮式光伏电站方阵进行了环境载荷数值预报研究,在与风洞模型试验结果对比验证的基础上,基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对该大规模方阵的整体风载荷和流载荷进行了数值研究。CFD计算的数值考察验证了采用简化浮体模型进行研究的可行性,单体模型的计算结果与风洞试验结果吻合良好;对方阵进行实尺度建模及3D简略计算,得到了整体风载荷在不同风向角下的变化规律;通过对最大载荷风向的北风条件下的载荷分布规律的分析,提出了2.5D计算的策略,得到了数值验证;根据计算结果设计并实施了18行×11列单元模块的缩尺方阵风洞试验,试验结果和CFD计算结果吻合良好,据此构建了完整的数值计算方法;对2.5D进行高精度计算,确定了针对3D简略计算的修正系数,得到较为准确的整体风载荷结果。流载荷计算方法与风载荷相同。采取势流计算方法开展了波浪载荷数值分析研究,得到了在单位波幅规则波作用下漂浮方阵波浪载荷随行和列的变化规律;根据此规律获得了整体漂浮方阵的波浪载荷,并据此计算了50年一遇的极端条件下漂浮方阵所受的波浪载荷。该研究为漂浮式光伏电站的风、流、波浪等环境载荷的数值预报提供了方法,为漂浮方阵的锚泊计算及水上光伏电站的系统设计提供了技术支持。     

坑道口部内爆炸冲击波传播速度规律的数值分析

准确计算坑道口部内爆炸条件下冲击波传播速度的变化,是确定坑道内主动消波设备时间响应指标的关键。为此,基于AutoDyn进行5种不同工况的坑道内爆炸计算。采用量纲分析构建了冲击波传播速度的工程模型,通过对数值计算结果的拟合确定了模型的系数。与坑道化爆实验的实测值进行分析比较表明,所拟合的坑道内冲击波传播速度的经验模型最大误差为15%,作为一种工程方法而言具有较强适用性。     

坑道口部内爆炸冲击波传播速度规律的数值分析

准确计算坑道口部内爆炸条件下冲击波传播速度的变化,是确定坑道内主动消波设备时间响应指标的关键。为此,基于AutoDyn进行5种不同工况的坑道内爆炸计算。采用量纲分析构建了冲击波传播速度的工程模型,通过对数值计算结果的拟合确定了模型的系数。与坑道化爆实验的实测值进行分析比较表明,所拟合的坑道内冲击波传播速度的经验模型最大误差为15%,作为一种工程方法而言具有较强适用性。     

基于裂纹尖端应力比值的含裂纹功能梯度材料圆筒应力强度因子计算方法

由于功能梯度材料（FGM）性质的特殊性,现有含裂纹FGM结构应力强度因子计算方法难以避免复杂的矩阵运算以及数值积分。该文针对含外表面环向裂纹FGM圆筒,利用FGM圆筒与均匀材料圆筒裂纹尖端应力之间的比例关系,将复杂的FGM圆筒应力强度因子求解问题转化为简单的应力值提取问题以及经验公式计算问题,仅由均匀材料圆筒应力强度因子经验公式、均匀材料圆筒和FGM圆筒裂纹尖端应力比值即可得到任意含裂纹FGM圆筒应力强度因子。该方法仅需建立2D轴对称模型即可满足计算要求,在保证精度的基础上成功回避了传统方法中的复杂矩阵运算以及数值积分,且适用于不同FGM、筒体尺寸、裂纹深度等情况下的应力强度因子计算。通过多组算例对比分析,证明该方法计算精度高、计算过程简便,便于工程应用。     

求解三维物体波浪荷载的边界元模型

建立了求解规则波中任意形状三维物体绕射问题的边界元模型。设置辐射面将流场分为内、外场,外场中的绕射势用特征函数展开式解析表达,内场则由边界积分方程求解,所取的Green 函数为简单的1/r 形式。内场边界采用四边形面元和轴对称面元混合布置的划分方式,轴对称面元上奇点强度沿周向为Fourier 级数展开的高次分布,提高了求解三维绕射问题的精度和效率。经与直立圆柱绕射的线性理论解比较,验证了数值方法的可靠性。利用谱分析原理,将规则波中的结果拓展,得到多向不规则波中绕射物体所受波浪力的统计特性。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20¹/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/21/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2¹。     

正交各向异性空心圆柱体中的纵向导波

基于三维线弹性理论,采用勒让德正交多项式展开法,推导了正交各向异性材料中纵向导波的耦合波动方程,并对耦合波动方程进行了数值求解。首先,为确定方法的适用性和准确性,利用Disperse软件求解各向同性空心圆柱体中纵向导波的频散曲线,并将其与勒让德正交多项式展开法求解结果相对比,二者结果完全一致。然后,讨论了勒让德正交多项式截止值对轴对称导波频散曲线收敛性的影响,并从数值计算的角度分析了产生影响的原因。最后,针对碳纤维缠绕的复合材料空心圆柱体,分别求解纵向、扭转和弯曲三种不同模态纵向导波的相速度频散曲线。计算了不同径厚比下的弯曲模态相速度频散曲线,分析径厚比的变化对频散曲线的影响。     

高超声速稀薄流场AUSM分裂式DSMC-IP方法研究

针对直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法统计耗散较大而传统的信息保存(DSMC-IP)方法难以有效模拟强激波的问题,采用对流迎风分裂(AUSM)通量计算格式对IP方法进行改造.以局部马赫数为标准重构控制方程中的关联项通量,使计算更加准确的符合激波两侧的流动特征,从而形成一种具有较高统计精度和高超声速流动模拟能力的新型DSM...