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波流共同作用下海底桩柱冲刷抑制特性研究

波流共同作用下海底桩柱冲刷抑制特性研究

作者：许思乾江苏科技大学

学位级别：硕士

海底桩柱基础局部冲刷是导致固定式海洋结构物破坏的主要原因之一,对局部冲刷发展机理进行揭示,研究冲刷抑制特性对于保障近海结构物安全有着重要意义。本文采用CFD软件STAR-CCM+进行桩柱基础局部冲刷数值模拟研究,主要内容和结论如下:... 详细信息

海底桩柱基础局部冲刷是导致固定式海洋结构物破坏的主要原因之一,对局部冲刷发展机理进行揭示,研究冲刷抑制特性对于保障近海结构物安全有着重要意义。本文采用CFD软件STAR-CCM+进行桩柱基础局部冲刷数值模拟研究,主要内容和结论如下:(1)使用CFD软件STAR-CCM+建立数值水池和冲刷模型,设计削弱下降水流的裙状基础Scour-counter measure device(以下简称SEMCD)-单桩模型进行数值模拟,研究其在流作用下的局部冲刷机理。(2)根据SEMCD-单桩模型模拟揭示的在流作用下的局部冲刷机理,设计涡控抑制复合桩柱Vortex-controlled composite pile(以下简称VCCP)桩柱模型,削弱造成局部冲刷的各因素,进而研究流作用下的局部冲刷抑制机理。(3)建立三维数值波浪水池,产生规则波,对SEMCD-单桩模型进行在规则波工况下的冲刷数值结果分析,揭示规则波浪工况下的局部冲刷机理;基于规则波工况下的冲刷机理,设计波浪能转换装置Wave energy conversion(以下简称WEC),将其与桩柱结合为吸能抑制局部冲刷的复合桩柱模型Energy absorb suppression local scour device(以下简称EASLSD),通过WEC装置运动以吸收波能,研究规则波工况下的局部冲刷抑制机理。(4)在自然海况下,单纯剪切流或波浪的简单工况情况几乎不存在,故建立剪切流和规则波浪耦合模型,以研究所设计的模型对抑制局部冲刷的抑制效果,并进一步总结出WEC装置对桩柱基础局部冲刷的抑制机理。经研究发现,由STAR-CCM+软件建立的数值水池,对于局部冲刷数值研究具有可靠性;建立数值冲刷模型揭示了影响局部冲刷的主要因素为下降水流、马蹄涡和桩后尾涡;基于局部冲刷机理设计VCCP桩柱模型,得到流作用下DFSD结构可有效控制流场结构,从而减小冲刷;基于局部冲刷机理设计EASLSD桩柱模型,探索出波浪作用下通过WEC吸收波浪能量以削弱水体能量,从而达到抑制局部冲刷的机理。

关键词：数值模拟桩柱模型 WEC 波流共同作用局部冲刷

波流共同作用下流速垂线分布及其影响因素分析

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水科学进展 2010年第6期21卷 801-807页

作者：张卓宋志尧孔俊河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京210098 南京师范大学教育部虚拟地理环境重点实验室江苏南京210097

大量波流相互作用的实验表明,当波浪顺流传播时,平均水面附近的流速减小,而当波浪逆流传播时,平均水面附近的流速增加。为了从理论上解释这种现象,从垂向二维Navier-Stokes方程出发,推导出波浪、潮流共同作用下的水流控制方程;采用微幅... 详细信息

大量波流相互作用的实验表明,当波浪顺流传播时,平均水面附近的流速减小,而当波浪逆流传播时,平均水面附近的流速增加。为了从理论上解释这种现象,从垂向二维Navier-Stokes方程出发,推导出波浪、潮流共同作用下的水流控制方程;采用微幅波理论简化控制方程,并引入Grant-Madsen波流边界层模型,得到波流共同作用下的紊动切应力及流速垂线分布表达式。通过和实验结果及数值结果的对比,结果预测值和实测值较为吻合,表明公式能反映波高变化及涡粘系数共同对流速垂线分布的影响,且简单实用。利用该公式分析了波浪顺流、逆流流速变化的原因。

关键词：波流共同作用流速垂线分布影响因素分析 factor analysis profiles velocity Navier-Stokes方程控制方程波浪数值结果波流相互作用紊动切应力涡粘系数水面实验结果逆流流速变化理论公式分析垂向二维

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波流共同作用下大直径圆柱局部冲刷试验研究

应用基础与工程科学学报 2021年第3期29卷 606-616页

作者：程永舟姜松吕行黄筱云夏波长沙理工大学水利工程学院湖南长沙410114 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室湖南长沙410114 水发规划设计有限公司山东济南250000

海上风电大直径单桩基础周围海床在波流共同作用下会发生剧烈的泥沙运动与局部冲刷,预测此类建筑物周围局部冲刷深度的经验公式尚不完备.采用中值粒径为0.22mm的均匀沙,在波流水槽中铺设平底沙床,对波流共同作用下大直径圆柱周围局部冲... 详细信息

海上风电大直径单桩基础周围海床在波流共同作用下会发生剧烈的泥沙运动与局部冲刷,预测此类建筑物周围局部冲刷深度的经验公式尚不完备.采用中值粒径为0.22mm的均匀沙,在波流水槽中铺设平底沙床,对波流共同作用下大直径圆柱周围局部冲刷特性进行试验研究.基于无量纲特征冲刷时间尺度的分析,探讨Ucw及KC数对局部冲刷影响.结果表明:Ucw可作为波流冲刷过程中主导因素的判别标准,当Ucw>0.43时,水流在整个冲刷过程起主导作用,随着Ucw增大,圆柱周围冲刷形态由双喇叭型向倒圆锥型发展.无量纲特征时间尺度T*在Ucw=0.43前后呈现出两种不同的变化趋势.对实测数据进行多元回归,得到波流共同作用下小KC数条件下的大直径圆柱周围冲深计算公式,经验证,该公式计算值与实测值吻合较好.

关键词：波流共同作用大直径圆柱特征时间尺度局部冲刷水槽试验泥沙

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波流共同作用下正斜桩局部冲刷试验研究

工程科学与技术 2021年第6期53卷 64-71页

作者：程永舟王晓光罗巍黄筱云吕行长沙理工大学水利工程学院湖南长沙410114 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室湖南长沙410114

随着海洋资源大规模开发和利用,斜桩基础凭借良好的水平承载力特性在跨海大桥、海上平台、高桩码头等海洋结构物中得到了广泛应用。在波流强烈的非线性作用下,斜桩附近会发生严重的局部冲刷,降低结构物的安全性,甚至会导致破坏。为了解... 详细信息

随着海洋资源大规模开发和利用,斜桩基础凭借良好的水平承载力特性在跨海大桥、海上平台、高桩码头等海洋结构物中得到了广泛应用。在波流强烈的非线性作用下,斜桩附近会发生严重的局部冲刷,降低结构物的安全性,甚至会导致破坏。为了解不同波高、流速条件下,倾斜角度对正斜桩冲刷特性的影响,并对比与垂直桩冲刷特性的差异,在波流水槽中开展波流共同作用和纯流作用下的局部冲刷试验。通过对α=0°、10°、20°、30°的正斜桩进行试验,研究了倾斜角度对冲刷历时、相对时间尺度及冲刷坑形态的影响,开展了无量纲参数Fr、KC、U_(cw)对正斜桩最大冲刷深度的影响分析,并与前人的垂直桩数据进行详细对比。结果表明:当桩向下游倾斜时,倾斜角度对于波流共同作用下斜桩冲刷特性有着重要的影响。与垂直桩相比,随着倾斜角度的增加,正斜桩冲刷深度发展速率、冲刷坑尺度及深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大;对于20°正斜桩,当d_(50)=0.403 mm,U_(c)=0.206 m/s,H=7 cm时,最大冲刷深度点由侧前方转移至正前方的时间约为60 min,远大于垂直桩。正斜桩沙丘沿中轴线对称分布,呈双峰结构,且冲刷坑形态与垂直桩明显不同;动床条件下,床面形成规则的沙波,冲刷坑尺度进一步减小,双峰更加明显。正斜桩相对冲刷深度为无量纲参数Fr、KC、U_(cw)的函数,与垂直桩拟合曲线的趋势保持一致。

关键词：斜桩倾斜角度局部冲刷波流共同作用

波流共同作用下水平轴潮流能水轮机水动力特性

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河海大学学报（自然科学版） 2019年第2期47卷 175-182页

作者：张继生张婧王日升顾介康林祥峰河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京210024 山东交通学院交通土建学院山东济南250347

通过开展物理模型试验,探究波流共同作用下水平轴潮流能水轮机尾流场的流速变化和紊动特性。结果表明:相比于纯流工况,波浪的存在有利于支撑结构后方水流的速度恢复,但会使水轮机叶片旋转水域后方近尾流的速度损失更大,远尾流的速度恢... 详细信息

通过开展物理模型试验,探究波流共同作用下水平轴潮流能水轮机尾流场的流速变化和紊动特性。结果表明:相比于纯流工况,波浪的存在有利于支撑结构后方水流的速度恢复,但会使水轮机叶片旋转水域后方近尾流的速度损失更大,远尾流的速度恢复更慢;水轮机下游流速会随波高和周期的增加而增大;波流共同作用工况下的湍流强度整体高于纯流工况;湍流强度随波浪周期的增大而减小,随波高的增大而变大。

关键词：潮流能水轮机波流共同作用水动力特性物理模型试验

波流共同作用下海底管线周围海床的动力响应分析

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防灾减灾工程学报 2016年第5期36卷 820-826页

作者：张小玲许成顺杜修力北京工业大学建筑工程学院北京100124 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

针对埋设有海底管线的多孔介质海床,基于Biot动力固结理论,采用Pastor-Zienkiewicz III的动力弹塑性本构模型,建立了一个多孔介质的弹塑性海床模型,分析了波浪-海流共同作用下海底管线周围海床的动力响应规律,计算了波浪-海流共同作用... 详细信息

针对埋设有海底管线的多孔介质海床,基于Biot动力固结理论,采用Pastor-Zienkiewicz III的动力弹塑性本构模型,建立了一个多孔介质的弹塑性海床模型,分析了波浪-海流共同作用下海底管线周围海床的动力响应规律,计算了波浪-海流共同作用下海床中超孔隙水压力的分布和表面波压力的分布规律,以及不同的海流速度对海床中超孔隙水压力分布的影响。结果表明:海流的存在对海床表面的波压力的波长和周期都有显著影响;海底管线等结构物的存在,减缓了管线以下海床中超孔隙水压力的累积。

关键词：超孔隙水压力海床波流共同作用

波流共同作用下细沙粉沙质海岸复合沿岸输沙率计算

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水利水运工程学报 2011年第4期 131-137页

作者：孙林云吴炳良郭天润南京水利科学研究院江苏南京210029 江苏省交通规划设计院股份有限公司江苏南京210005 上海航道勘察设计研究院有限公司上海200135

应用能量原理建立波浪作用下沿岸输沙率公式时,通常采用波浪的"载沙量"与沿岸流的乘积推导而得.对于一般的沙质海岸,由于岸滩坡度较陡,波浪破碎带较窄,破波带内潮流流速与破波产生的沿岸流相比较小,常可忽略.而对于细沙粉沙质海岸,岸滩... 详细信息

应用能量原理建立波浪作用下沿岸输沙率公式时,通常采用波浪的"载沙量"与沿岸流的乘积推导而得.对于一般的沙质海岸,由于岸滩坡度较陡,波浪破碎带较窄,破波带内潮流流速与破波产生的沿岸流相比较小,常可忽略.而对于细沙粉沙质海岸,岸滩坡度相对较缓,风暴潮期间,近岸波浪较大,破波水深较深,破波带较宽,近岸潮流流速也较大.因此,细沙粉沙质海岸风暴潮期间波浪和潮流共同作用下的复合沿岸输沙率计算应当考虑波浪和潮流的共同作用.在以往波浪作用下沙质海岸沿岸输沙率研究的基础上,通过波浪潮流共同作用下近岸水流特性和沿岸输沙率特性港池试验研究,得出了波流共同作用下复合沿岸流计算公式,据此,将能量输沙原理导出的沿岸输沙率计算公式推广应用到波流共同作用下的复合沿岸输沙率计算,经与模型试验结果和现场实测资料对比,吻合良好.该公式可以有条件地推广应用到细沙粉沙质海岸波浪潮流共同作用下复合沿岸输沙率计算.

关键词：细沙粉沙质海岸波流共同作用复合沿岸输沙率能量原理试验研究

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波流共同作用下围垦促淤计算方法研究

水利水运工程学报 2014年第4期 22-27页

作者：刘红谢军熊志强陈中陈海英中交上海航道勘察设计研究院有限公司上海200124 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200062

在改进王义刚等提出的淤泥质海岸围垦淤积计算方法基础上,提出了波流共同作用下围垦促淤计算方法。采用实测水沙资料对挟沙力公式进行率定,得到了横沙东滩水域波流共同作用下半潮平均水沙关系式,其相关系数明显优于仅考虑潮流作用的水... 详细信息

在改进王义刚等提出的淤泥质海岸围垦淤积计算方法基础上,提出了波流共同作用下围垦促淤计算方法。采用实测水沙资料对挟沙力公式进行率定,得到了横沙东滩水域波流共同作用下半潮平均水沙关系式,其相关系数明显优于仅考虑潮流作用的水沙关系式。采用上述计算方法和水沙关系式对横沙东滩促淤圈围工程的淤积效果进行计算,计算结果与实测值较为接近。由于考虑了波浪作用对含沙量的贡献,比仅考虑潮流作用的计算模式具有明显优势,以后可进一步尝试采用本模式研究砂质和粉砂质潮滩促淤效果问题。

关键词：横沙东滩淤泥质海岸波流共同作用滩涂围垦促淤计算模式

波流共同作用下多孔介质海床动力响应的解析解

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工程地质学报 2012年第5期20卷 674-681页

作者：刘博郑东生上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室海洋岩土工程研究中心上海200240 邓迪大学土木工程系

本文提出一个评价波流共同作用下多孔介质海床的孔隙水压力和有效应力动力响应的u-p近似模型。与过去相关研究主要不同处是在于本文着重考虑了潮流在该问题解析解中的作用。本文提出的解析解首先分别与实测数据和COMSOL数值解对比验证... 详细信息

本文提出一个评价波流共同作用下多孔介质海床的孔隙水压力和有效应力动力响应的u-p近似模型。与过去相关研究主要不同处是在于本文着重考虑了潮流在该问题解析解中的作用。本文提出的解析解首先分别与实测数据和COMSOL数值解对比验证。接着以此解析解为基础进行了一系列关于流的作用的参数分析。本文首先研究了潮流对于不同海床深度的影响以及不同波流荷载下海床的动力响应问题,数值结果显示了潮流和非线性波对孔隙水压力和有效应力的重要作用。本文最后研究了不同潮流方向对海床动力响应的影响,结果显示由不同的潮流方向引起的孔隙水压力的相对变化可以达到静水压力的15%。

关键词：孔隙水压力波流共同作用 u-p模型