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粗糙底床上的波浪边界层及小直径管道波浪力的特性研究

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粗糙底床上的波浪边界层及小直径管道波浪力的特性研究

作者：滕云飞大连理工大学

学位级别：硕士

海底管道的稳定性是管道设计、施工及服役期间的一个重要安全性指标。海底管道的稳定性主要取决于管道所受到的水动力荷载,而波浪力是管道水动力荷载的重要组成部分。海底管道的波浪力特性与其周围流场特性密不可分,对于近底的小直径管... 详细信息

海底管道的稳定性是管道设计、施工及服役期间的一个重要安全性指标。海底管道的稳定性主要取决于管道所受到的水动力荷载,而波浪力是管道水动力荷载的重要组成部分。海底管道的波浪力特性与其周围流场特性密不可分,对于近底的小直径管道而言(如：管道直径D=5cm),管道可能淹没在波浪边界层内,对波浪边界层特性进行研究有助于分析小直径管道的受力特性。由于砂砾、碎石等介质的存在及海洋生物的附着,使得真实的底床往往具有一定的粗糙度(用糙率ks表示),因此,本文通过波浪水槽实验,以光滑底床为参照,针对粗糙底床上的波浪边界层特性进行了系统的研究。本文共设置了4种不同糙率的底床模型,相应的糙率ks分别为0cm(光滑)、2.65cm、5.28cm及6.78cm。糙率范围a/ks∈[0.1～10],其中,a为波浪边界层外水质点水平振幅;波浪雷诺数范围Re*∈[300,50000],Re*=Uma/v,其中,Um为边界层外水质点水平速度幅值,v为水体的运动粘性系数,v=1.0×10-6m2·s-1。以往关于近底管道波浪力特性的研究工作大多是在平坦底床上进行的,然而,对于小直径管道而言,海底粗糙度是不可忽略的。因此本文以光滑底床为参照,针对粗糙底床上小直径管道的波浪力特性进行了系统的实验研究。管道雷诺数范围Re∈[300,5000],Re=UmD/v;KC∈[10,40],KC=UmT/D,其中T为波浪周期;β∈[70-180],β=Re/KC。此外,本文还对波浪边界层特性与小直径管道波浪力特性之间的内在联系进行了分析。针对波浪边界层特性的研究表明,相比于光滑平坦底床,粗糙底床上的边界层厚度将会增大,且边界层附近的湍流强度明显高于边界层外的流体：不同糙率底床上的雷诺切应力与流体平均切应力的量级相当。针对海底管道波浪力特性的研究表明,相比于光滑底床,粗糙底床上的管道竖向力有明显减小。综合分析波浪边界层特性与小直径管道波浪力特性发现,波浪边界层增厚是影响粗糙底床上小直径管道水平力的主要原因,而边界层的湍流特性可能是导致粗糙底床上小直径管道竖向力减小的原因。

关键词：小直径管道波浪力底床糙率波浪边界层

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波浪边界层厚度分析研究

天津大学学报 1991年第S2期24卷 36-40页

作者：杨奕翰杨秀芝天津大学水资源与港湾工程系

对波浪边界层厚度提出明确的定义,利用相似原理导出了波浪紊流边界层厚度的合理计算公式;通过水槽实验,包括利用光电调制反馈激光多普勒测速系统(OEMF—LDA),对波浪断面流速分布及边界层厚度进行了量测,获得了大量资料,利用这些资料与... 详细信息

对波浪边界层厚度提出明确的定义,利用相似原理导出了波浪紊流边界层厚度的合理计算公式;通过水槽实验,包括利用光电调制反馈激光多普勒测速系统(OEMF—LDA),对波浪断面流速分布及边界层厚度进行了量测,获得了大量资料,利用这些资料与作者公式进行比较。二者符合良好。

关键词：波浪边界层边界层厚度光电调制反馈激光多普勒测速仪

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波浪作用下的床面切应力研究进展

水科学进展 2021年第6期32卷 944-956页

作者：夏云峰成泽霖徐福敏徐华张帆一南京水利科学研究院江苏南京210029 河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京210098

波浪作用下的床面切应力是估算近岸泥沙起动、输移的重要基本参数之一,其形成的底部摩阻效应也会对近岸水动力环境产生影响。由于现场观测较为困难,对波浪边界层与波浪作用下床面切应力的认识主要建立在室内试验观测基础上。回顾国内外... 详细信息

波浪作用下的床面切应力是估算近岸泥沙起动、输移的重要基本参数之一,其形成的底部摩阻效应也会对近岸水动力环境产生影响。由于现场观测较为困难,对波浪边界层与波浪作用下床面切应力的认识主要建立在室内试验观测基础上。回顾国内外相关理论模型和试验测量研究,梳理各类研究方法与测量技术的优缺点及适用条件;整理20世纪70年代至今的大量试验资料,对已有研究成果进行归纳分析,包括波浪非线性、波浪破碎等因素对床面切应力的影响;总结现有研究存在的局限性,提出今后的研究重点。超大型水槽是未来突破波浪边界层理论研究瓶颈的重要设施;高适应性水下二维切应力传感器的发展是复杂动力条件下床面切应力研究取得突破的关键。

关键词：波浪边界层床面切应力试验装置测量设备波浪摩阻系数

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波浪作用下涡动沙纹床面的悬沙运动数值研究

水利学报 2003年第3期34卷 93-97,103页

作者：蒋昌波白玉川赵子丹张红武长沙交通学院湖南长沙410076 天津大学建工学院天津300072 清华大学水电系北京100084

作者建立了波浪作用下的立面二维水沙数值模型,并对涡动沙纹床面的悬沙运动进行研究。结果表明:悬沙颗粒的沉降速度较小时,其运动受到涡动力特性的影响比较显著。而且在沙纹波峰断面和沙纹波谷断面,半个周期里都可以观察到两个悬沙分布... 详细信息

作者建立了波浪作用下的立面二维水沙数值模型,并对涡动沙纹床面的悬沙运动进行研究。结果表明:悬沙颗粒的沉降速度较小时,其运动受到涡动力特性的影响比较显著。而且在沙纹波峰断面和沙纹波谷断面,半个周期里都可以观察到两个悬沙分布的峰值,主要是由于流动分离形成分离涡,涡运动携带泥沙颗粒而出现峰值。计算成果在一定程度反映了涡动结构对悬沙运动的影响。

关键词：波浪边界层涡动沙纹悬沙数学模型

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波浪作用下沙纹床面底层流动特性研究

水科学进展 2003年第3期14卷 333-340页

作者：蒋昌波白玉川赵子丹张红武长沙交通学院湖南长沙410076 天津大学建筑工程学院天津300072 清华大学水利水电工程系北京100084

涡动沙纹很大程度决定着床面阻力和波浪衰减,针对涡动沙纹作用下的绕流结构具有强二维特性,建立了立面二维曲线坐标下的数值模型。利用国外公开发表的试验数据进行验证,表明模型能模拟波浪作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性,... 详细信息

涡动沙纹很大程度决定着床面阻力和波浪衰减,针对涡动沙纹作用下的绕流结构具有强二维特性,建立了立面二维曲线坐标下的数值模型。利用国外公开发表的试验数据进行验证,表明模型能模拟波浪作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性,对底层流动的紊动特性、床面剪切应力的随时间、空间的变化以及涡动结构的尺度分别进行了讨论。

关键词：波浪边界层涡动沙纹数学模型沙波运动紊动

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波浪作用下的泥沙问题研究进展

合肥工业大学学报（自然科学版） 2009年第12期32卷 1900-1903页

作者：张向东曹广学河海大学水利水电工程学院江苏南京210098 合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

波浪作用下的各种泥沙问题是近年来海岸(上)工程经常遇到的问题,其国内外的研究成果也较多。文章从最基本的泥沙问题——泥沙分类标准入手,综述了国内外对波浪作用下一些泥沙基本问题,包括:海岸泥沙的分类标准、波浪作用下的泥沙起动、... 详细信息

波浪作用下的各种泥沙问题是近年来海岸(上)工程经常遇到的问题,其国内外的研究成果也较多。文章从最基本的泥沙问题——泥沙分类标准入手,综述了国内外对波浪作用下一些泥沙基本问题,包括:海岸泥沙的分类标准、波浪作用下的泥沙起动、床面变形、泥沙输移以及坡面泥沙起动等,为今后研究波浪作用下的泥沙问题提供了一些参考。

关键词：波浪边界层泥沙起动床面变形泥沙输移

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波浪作用下的床面摩阻系数

海洋工程 2002年第4期20卷 68-71页

作者：张庆河曹永华庞红犁秦崇仁天津大学建筑工程学院天津300072

波浪作用下床面摩阻系数对于波浪变形和床面剪应力的准确计算,乃至海岸泥沙运动的合理描述具有重要意义。在收集大量波浪边界层和床面剪应力测量数据的基础上,建立了波浪作用下光滑和粗糙紊流边界层床面摩阻系数的显式计算公式,并进一... 详细信息

波浪作用下床面摩阻系数对于波浪变形和床面剪应力的准确计算,乃至海岸泥沙运动的合理描述具有重要意义。在收集大量波浪边界层和床面剪应力测量数据的基础上,建立了波浪作用下光滑和粗糙紊流边界层床面摩阻系数的显式计算公式,并进一步建立了可涵盖波浪边界层所有流态的摩阻系数显式计算公式,该公式具有不需迭代、不需判断流态、应用方便的特点。

关键词：波浪作用床面摩阻系数波浪边界层最大床面剪切力

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振荡流作用下的推移质输沙规律研究

振荡流作用下的推移质输沙规律研究

作者：戚晓明天津大学

学位级别：硕士

对于振荡流来说,以波浪、潮流最为典型,其作用下的泥沙运动是海岸泥沙问题中极为重要和引人关注的问题。从理论角度对泥沙群体颗粒的运动特性进行研究,通过确定泥沙颗粒起动时的临界剪应力,得到起动时的动力条件,这样将会摆脱经验因素... 详细信息

对于振荡流来说,以波浪、潮流最为典型,其作用下的泥沙运动是海岸泥沙问题中极为重要和引人关注的问题。从理论角度对泥沙群体颗粒的运动特性进行研究,通过确定泥沙颗粒起动时的临界剪应力,得到起动时的动力条件,这样将会摆脱经验因素的影响,使泥沙研究真正从根本上走上严格的理论探索之路。海岸泥沙的起动和输运、波浪传播过程中的衰减以及海岸建筑物的底部冲刷都与波浪底床剪应力有紧密的关系。波浪底部的边界层则是水流与泥沙相互作用的主要发生区域,由于边界层内流动的复杂多样性,导致该区域内的流场分布、紊动粘滞系数、底摩阻系数、床面剪切力以及泥沙运动理论还不成熟。因此深入研究波浪边界层及其作用下的泥沙运动特性的问题,对于深入陆海相互作用相关科学问题的研究,推动海岸动力学的发展,满足海洋工程建设的需求,具有重要的科学意义和工程价值。本文主要工作是对振荡流下的推移质泥沙运动进行一定的理论方面的推导:1、研究振荡流(波浪)边界层内流场的分布情况。由于近岸波浪作用下边界层多数属于紊流边界层,因此解决紊流边界层问题尤为重要。本文通过对流体运动方程的分析化简得出波浪边界层内的雷诺方程。紊流边界层要比层流边界层复杂的多,主要是由于紊动粘滞系数难以确定,本文通过采取一种新的假定对紊动粘滞系数进行计算,得出一个较合理的紊流边界层内流场的分布情况。2、研究振荡流(波浪)作用下近岸海底的推移质输沙情况。鉴于波浪瞬时作用下泥沙颗粒起动前的受力与单向流具有相似性,将单向流下的受力模型推广到波浪情况下进行分析。本文除考虑拖曳力、上举力和水下重力外,还考虑了由于颗粒之间的相互影响即离散力的影响,并应用波浪作用下紊流边界层内的流速推导出了接触型推移质群体泥沙运动方程。根据波浪作用下的推移质群体泥沙运动方程可以看出推移质运动具有明显的非线性特性,对非线性动力学特性进行分析得到了考虑离散力时泥沙起动的希尔兹(Shields)曲线及一般形式的推移质输沙公式。

关键词：振荡流波浪边界层紊动粘滞系数泥沙起动推移质输沙希尔兹(Shields)曲线

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沼泽学

中国地理科学文摘 1996年第2期 13-14页