用Morison公式试算海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩

根据实测流速资料采用Morison公式初步计算了海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩。内孤立波对桩柱的作用力与表面波的作用力是明显不同的。内孤立波的作用力几乎分布在整个深度范围；它在铅直方向不但有量值变化。也有方向改变——第一模态内波的作用力在桩柱的上、下部位作用方向相反。表面波对桩柱的作用力随深度的增大较快的衰减。且深度的改变不会使作用力的方向发生变化。计算结果表明：引起2．1m／s水平流的内孤立波对桩柱产生的总作用力约相当于300m波长、18m波高的表面波的总作用力；由于海洋内孤立波能引起很大的水平流，它对海上石油平台桩柱产生的总作用力以及相对于海面的力矩是不能忽略的。因此，在海上石油平台设计中应充分重视内孤立波的作用。     

背景流在内孤立波对小直径桩柱作用力中的影响

本文首先采用GK-dV方程,在考虑背景流和未考虑背景流2种情况下,对南海东北部向西传播的大振幅内孤立波进行了模拟。通过对比两组结果,发现背景流的引入,会使内孤立波的传播速度变快、波形变窄、振幅变大,以及波致流变强。然后,采用Morison’s公式计算了内孤立波对小直径桩柱的作用力和力矩,通过对比,发现在引入背景流后,作用力和力矩均变大,作用力增大9.0%,力矩增大32.5%,因此背景流在内孤立波对小直径桩柱的作用力中有着重要的影响。     

南海北部陆坡内孤立波对桩柱作用力的极值推算

内孤立波的发生常伴随着大振幅波动和突发性强流,对桩柱等海中结构物产生强烈破坏作用。基于KdV方程和Morison公式,在忽略高阶模态的情况下,探讨内孤立波对桩柱的单位作用力、总作用力、剪力和弯矩的极值问题,并利用2016-07南海北部陆坡的实测资料对理论结果进行检验。结果表明:1)在内孤立波最大振幅所在的垂向剖面上,上层与下层各存在一个单位作用力极值,且二者方向相反,上层总作用力强于下层,最大剪力和弯矩分别发生于水平流速的转向层和海底;2)各水层中,沿着内孤立波的传播方向,所有作用力的数值均随时间的推移先递增后递减,存在正向或负向的最大值;3)全水层总作用力极值发生在半周期,其值与波动振幅和水平波速有关,其他作用力极值发生于最大振幅时刻之前,作用力极值与振幅和非线性波速正相关,与水平特征宽度负相关;4)单位作用力极值的时间提前量与振幅和水平特征宽度强相关,与非线性波速弱相关。     

波-流场中孤立桩柱上作用力系数的研究

本文基于波-流场中的线性波理论和模型试验,探讨了在同向波-流场中的孤立桩柱及按莫里逊(Morison)公式计算波-流力时的作用力系数,提出了以波-流场特征系数为参数的相对速度力系数的计算公式,并根据试验中实测的最大波-流力值,用二元线性回归的数理统计方法,求得了拟合最佳的速度力系数和惯性力系数。     

半潜式平台内孤立波载荷计算方法及其试验验证

针对半潜式平台的立柱群和沉箱群,设计了两套独立的载荷测量系统,利用大型重力式密度分层水槽,在不同来波方向下对孤立波中半潜式平台载荷进行了系列模型试验。研究表明,对平台立柱部分,其内孤立波载荷可以用Morison公式进行计算,基于试验结果建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;对于半潜式平台的沉箱部分,当来波方向与其中纵剖面不平行时,其水平内孤立波载荷同样可以使用Morison公式进行计算,并建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;当来波方向与半潜式平台中纵剖面平行时,沉箱群的水平内孤立波载荷可以采用Froude-Krylov公式进行计算;同时,在不同来波方向下沉箱群的垂向载荷同样可以采用Froude-Krylov公式进行计算。     

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。     

内孤立波作用下竖直圆柱体的横向力研究

本文对内孤立波作用下圆柱体的水动力特性进行了数值研究。对不同直径、不同水深比、不同浸没深度的圆柱进行了水平方向受力分析,从多个因素出发,研究了内孤立波对水下竖直圆柱的水平作用情况。通过分析水平作用力和力矩的时程曲线,得到内孤立波行进过程中对于圆柱体的横向作用力和力矩与时间的关系。通过对比不同工况下内孤立波横向作用力幅值,得到内孤立波作用力幅值与圆柱直径、水深比以及浸没深度的关系。结果表明,内孤立波横向作用力(力矩)幅值与圆柱直径呈线性相关关系,但与水深比相关关系不明显,随着圆柱浸没深度的增加,内孤立波横向作用力幅值呈现出先增大后减小的趋势。     

垂直桩柱上总波浪力的试验研究

本文基于Morison公式和线性波理论,根据试验室里规则波和强制波作用下小直径圆形桩柱上总波浪力的试验资料分析,讨论了规则波3相似文献   

随机波作用在直立桩柱上的波力

本文从 Morison 方程出发,根据 Borgman 所提出的计算公式,应用谱的方法在风浪槽中研究小桩柱的波浪作用力。文中给出了单位桩柱和总桩柱的惯性力和阻力转换函数。并对理论计算的力谱和实测力谱进行了比较。     

海洋内孤立波中顶张力立管的动力响应研究

基于商业软件Fluent,建立大振幅海洋内孤立波数值水槽,获取内孤立波波致水平流速和水平加速度沿垂向的分布,结合改进的Morison公式,计算内孤立波对立管的作用,采用有限单元法在时域中对内孤立波作用下顶张力立管的动力响应进行数值模拟,并就顶张力大小、内流密度、内孤立波振幅对立管动力响应的影响进行探讨。结果表明,内孤立波对顶张力立管产生强剪切作用,使立管发生较大变形,产生较高应力,并在波谷到达时刻出现最大位移和应力,立管上层流体部分的位移和应力明显大于下层流体部分的位移和应力。     

Experimental Study on Ocean Internal Wave Force on Vertical Cylinders in Different Depths

A series of experimental studies about the force of internal solitary wave and internal periodic wave on vertical cylinders have been carried out in a two-dimensional layered internal wave flume. The internal solitary waves are produced by means of gravitational collapse at the layer thickness ratio of 0.2, and the internal periodic waves are produced with rocker-flap wave maker at the layer thickness ratio of 0.93. The wave parameters are obtained through dyeing photography. The vertical cylinders of the same size are arranged in different depths. The horizontal force on each cylinder is measured and the vertical distribution rules are researched. The internal wave heights are changed to study the impact of wave heights on the force. The results show that the horizontal force of concave type internal solitary wave on vertical cylinder in the upper-layer fluid has the same direction as the wave propagating, while it has an opposite direction in the lower-layer. The horizontal force is not evenly distributed in the lower fluid. And the force at different depths increases along with wave height. Internal solitary wave can produce an impact load on the entire pile. The horizontal force of internal periodic waves on the vertical cylinders is periodically changed at the frequency of waves. The direction of the force is opposite in the upper and lower layers, and the value is close. In the upper layer except the depth close to the interface, the force is evenly distributed; but it tends to decrease with the deeper depth in the lower layer. A periodic shear load can be produced on the entire pile by internal periodic waves, and it may cause fatigue damage to structures.     

实验室造波条件对内孤立波发展影响的直接数值模拟

内孤立波具有振幅尺度大、能量集中的特点,其引起流场和密度场的迅速变化可能对海洋工程结构物以及水下潜体造成严重威胁。因此研究不同造波条件下生成的内孤立波运动的流场特征具有重要的学术意义和实际应用价值。采用直接数值模拟方法和给定的初始密度场密度跃迁函数,对重力塌陷激发内孤立波的运动过程进行研究,探讨了不同造波条件下,激发产生的内孤立波波型、涡度、振幅和水平速度等流场特征。结果表明:(1)直接模拟数值方法能够模拟内孤立波传播过程中的密度界面波型反转现象;(2)从定性和定量的角度,证实了不稳定内孤立波传播过程中存在能量的向后传递;(3)对于相同的台阶深度(水闸两侧初始密度界面的高度差),初始涡流保持相同,但是随着上下层水深比的减小,其强度下降显著;(4)台阶深度对初始涡流的垂直结构的影响要大于上下层水深比,且台阶深度对内孤立波的振幅、水平速度的影响显著。     

内波远距离传播演化的实验研究

为了研究内波远距离传播过程中的演化规律,本文采用图像测速法(PIV)分别对内波近场和远场的速度场进行测量。实验中同时采用两台CCD相机对实验区域进行拍摄,根据实验结果对内波能量和垂向模态结构进行计算分析。实验结果表明,在近场区域生成的内波主要表现为内波射线结构。内波射线在经过海表面反射后,其能量在空间上出现非对称结构,能量在加强区域较减弱区增加约15%。在远场,内波射线结构不再清晰,内波主要表现为低模态内波结构。内波射线在反射时能量衰减显著,损失约为50%;低模态内波可以离开内波生成源地远距离传播,传播过程中能量损失较小,在远场传播过程中(第一模态内波半波长的距离)能量损失约20%。低模态内波的传播相速度介于垂向第一模态和第二模态相速度之间。     

内孤立波作用下Spar平台动力响应特性

以三类内孤立波理论(Kd V、e Kd V和MCC)的适用性条件为依据,采用Morison和傅汝德-克雷洛夫公式分别计算Spar平台内孤立波水平力和垂向力,结合时域有限位移运动方程,建立了有限深两层流体中内孤立波与带分段式系泊索Spar平台相互作用的理论模型。以东沙群岛某海域实测内孤立波为对象,数值分析了在内孤立波作用下某经典式Spar平台的内孤立波动态载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对Spar平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度水平漂移运动,而且还会使其系泊张力显著增大。因此,在Spar平台等深海平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

非均匀密度层结内潮射线生成与传播的实验研究

本文通过实验室实验的方法,探讨了非均匀密度层结下内潮射线的生成与传播规律。利用粒子图像测速技术(PIV)对流场进行测量,并计算了内潮能通量。实验结果表明,无转折深度时,内潮射线传播至不同浮频率水层会发生折射,向上传播时有能量聚焦现象;转折深度高于地形高度时,在浮频率大于强迫频率的上层流体中仍有内潮射线生成,但能量较弱,水平通量的深度积分相对于无转折深度时更小,且地形越高越容易在上层激发内潮射线。对水平流速做经验正交函数(EOF)分解,得到的主要模态与内潮斜压模态有很好的对应性。     

海底山脊作用下内孤立波破碎研究

基于实验室水槽实验,研究了内孤立波在海底山脊地形存在下的破碎过程。实验设置了两层流体的分层环境,定量地控制了上下层水体厚度及密度,使用不同高度的高斯地形模拟实际的海山作用,讨论了不同高度地形作用下内孤立波破碎过程的异同。实验结果表明,内孤立波的破碎过程中由于逆压梯度的存在,在地形处发生边界层分离,产生了底边界层反向射流和涡脱落现象,计算了内孤立波破碎过程中产生的底部切应力的分布。本文通过实验模拟了内孤立波再海山作用下的破碎过程,进一步探究了海山对内孤立波破碎的影响和底部切应力的作用,对于研究自然界中海洋内孤立波在海山区域的破碎现象有参考价值。     

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

相同尺度地形与背景流共振生成内孤立波机制

为研究内孤立波的地形和背景流共振机制,用地形和背景流共振机制计算了3个潜标观测的内孤立波(不同模态、不同波长)的流速和传播速度,并与观测到的内孤立波进行比较。潜标观测的第一模态内孤立波(波长分别为6.4和3.3km)都是下凹型内孤立波,2个内孤立波的传播速度约为1.4m/s、最大振幅约为48m,水平流向结构都是上层西北向、下层东南向,波长3.3km 的内孤立波波峰前后有更明显的下降流和上升流。用共振机制计算出的第一模态和第二模态纬向流速的垂向结构与观测相同,最大纬向流速出现的深度与观测一致,分别相差5和12m。用共振机制计算出的内孤立波传播速度与用 KdV 方程计算的传播速度相当,共振机制计算波速为0.66~1.21m/s,KdV 方程计算波速为0.79~1.40m/s。     

下凹内孤立波致流场结构及其影响因素的实验研究

为进一步探究海洋内孤立波诱导流场对海洋工程结构物以及潜航器的影响,本文采用重力塌陷方法和粒子图像测速(Particle Image velocimetry,PIV)技术在大型分层流水槽中进行内孤立波造波以及内部流速场测量,定量分析了下凹型内孤立波诱导流场结构及其影响因素。研究表明:在密度分层流体中,PIV技术可实现对大幅面内孤立波诱导流场的精细测量以及波动结构特征的准确描述;水平流速在上下层方向相反且在跃层处最小,其剪切作用在波谷附近最强;垂向流动在波前和波后分别为上升和下沉流,两者流速值在距离波谷1/4~1/2波长位置达到最大;在相同内孤立波振幅条件下,上下层流体密度差越大、厚度比越小,则波致流场越强;随着振幅增大,流场结构与Kd V、e Kd V和MCC理论模型对应波幅适用范围的描述相吻合。