高渗透性海床对波浪衰减作用的数值分析

为研究高渗透性海床对波浪衰减的影响规律,建立了波浪与粗颗粒高渗透性海床相互作用的同步耦合数学模型.波浪域采用雷诺时均方程和k-ε紊流模型,采用PLIC-VOF法追踪波浪自由表面,采用非线性Forchheimer方程描述高渗透性海床内孔隙流场,计算分析海床参数对波高沿程衰减的影响.结果表明:随着海床厚度、粒径、孔隙率、固有渗透率的增大,沿程波高衰减加快;但当海床厚度达到1.8倍水深后,对沿程波高衰减基本没有影响;孔隙率增大到0.65后,沿程波高衰减幅度反而减小.     

细砾质斜坡海床上波浪的传播特性试验

为了解波浪在渗透性良好的斜坡海床上的传播演变机制,在水槽中开展细砾质斜坡海床上波浪传播特性试验,研究海床土体孔隙水压力响应特征、波浪在斜坡海床上发生浅水变形区域内波浪近底水平流速特性以及波浪在可渗透斜坡海床上的传播演变特性。试验结果表明:海床中超静孔隙水压力随着波浪波高和周期的增大而增大;近底水平流速随着波浪浅水变形程度的增加而增加;波浪厄塞尔数越大,斜坡上波浪浅水变形越明显,各谐波之间的波-波相互作用越剧烈;在浅水变形初段,海床渗透作用大于波浪浅水变形作用,在浅水变形剧烈区域,波浪浅水变形作用大于海床渗透作用。     

泥质海床的黏弹塑性模型

为研究波浪在泥质海床上的波高衰减,该文利用不可压缩流体的基本方程建立了波浪作用下水和底泥耦合运动的数值模型,模型能适应各种形式的底泥本构关系.控制方程组采用有限体积法求解,自由表面和水与泥层的界面采用VOF方法模拟.通过对比研究黏性模型和黏弹塑性模型对于底泥引起波浪衰减现象的有效性表明,当底泥密度较小时,黏性模型可以较好地模拟底泥引起的波浪衰减,但底泥密度较大时,其塑性特征不能忽视,采用更具一般性的黏弹塑性模型才能较好地反映波浪衰减的趋势.     

波浪作用下渗透率各向异性的海床液化分析

为探究波浪荷载作用下渗透率各向异性的海床的瞬态液化问题,分别以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和Biot多孔弹性方程作为波浪运动和海床响应的控制方程,采用LSM (LevelSet Method)法对自由表面进行追踪,以保证波浪运动模拟的准确性,并建立了波浪-海床相互作用的二维耦合数值模型.在验证数值模型合理性的基础上,进一步分析了波浪参数、海床土体的饱和度和渗透性对海床瞬态液化的影响.结果表明:波浪参数和海床土体饱和度对海床瞬态液化的影响显著;海床的瞬态最大液化深度随着波浪的高度、周期的增大而增加,随着海床土体饱和度的增大而减小;相比于海床土体的水平方向渗透系数,海床的瞬态最大液化深度对垂直方向渗透系数的变化更加敏感.     

数值波浪水池中航行船舶绕射问题的数值模拟

基于计算流体力学（CFD）方法建立了数值波浪水池（NWT）,并对波浪生成传播和波浪中航行船舶波浪绕射问题进行了数值模拟.讨论了适合航行船舶绕射现象模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下NWT中波浪生成、传播和消波等,模拟计算了多个航速顶浪和斜浪航行的拘束Wigley III船模在不同波长的规则波中运动时所受的波浪力（矩）.通过与势流理论结果和Delft University of Technology（DUT）试验结果的比较显示,NWT方法计算的结果与两者的结果吻合良好;比实验更易实现和控制;能描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

太湖波浪过程的数值模拟

基于动谱平衡方程的SWAN波浪模型和湖流三维模型,分别对太湖波浪和湖流的生消过程进行动态模拟,并研究太湖湖流对波浪的影响.结果表明,湖流模型和SWAN波浪模型可以较好地模拟风作用下太湖湖流和波浪的生成和传播过程;太湖流场对波浪场具有一定影响;风速越大,影响越显著,同时也受风向影响;沿岸区波浪受湖流影响更加显著;湖流对波浪的影响基本上呈现湖流波浪同向时,有效波高增大,波速增大,波长增长;反向时有效波高减小,波速减小,波长缩短的特征.     

波浪-流作用下分层海床稳定性分析

基于Biot固结理论,结合波流相互作用理论,采用数值模型分析了分层海床在波浪-流共同作用下的响应,尤其是分层海床的液化可能性及剪切破坏深度.结果表明,顺流的存在不仅会增加液化风险,还会使剪切破坏深度增加,而采用高渗透性土作为覆盖层不仅能有效降低原海床液化风险,且能减小甚至避免原海床的剪切破坏,可用于海床保护.     

波浪荷载引起不同埋深管线周围海床响应和液化分析

为了研究波浪荷载引起海底管线周围海床的液化问题,以Biot方程的部分动力响应模型,即u-p模型为基础建立二维埋管海床数值模型,研究海底管线及其周围海床在波浪荷载作用下的动态响应问题,波浪荷载通过孔压边界施加到海床表面.在验证模型的基础上,研究埋管海床在波浪荷载作用下的响应与液化,分析不同管线埋深下海床土的孔压、竖向有效...     

椭圆余弦波作用下考虑桩身振动的桩-土相互作用

针对海洋中浅水区域的单桩基础,建立了包含波浪、海床和单桩的三维数值模型,考虑浅水环境中椭圆余弦波与海洋风浪引起的桩身振动的共同作用,研究了桩-土耦合系统的动态响应问题.其中,波浪模型的椭圆余弦波采用Navier-Stokes方程控制,海床模型视为各向同性的多孔介质,并采用Biot方程模拟土体与孔隙水的动态响应,单桩视为可变形弹性体,并引入周期性的水平位移来模拟桩身振动.同时,在验证模型准确性的基础上,分析了椭圆余弦波作用下桩身位移、桩周的海床孔隙水压及海床液化等变化情况,并对波浪及海床的主要特性参数进行了分析.结果表明:桩身振动会导致桩顶区域的海床孔隙水压出现局部变化,并使孔隙水压沿海床深度方向的减小趋势变缓;波浪与海床的特性参数对孔隙水压的分布影响显著.     

适合渗透海床上的Boussinesq水波数学模型

为了数值研究波浪在渗透海床上的传播特性,基于近似到二阶完全非线性的高阶Boussinesq水波方程,通过引入考虑可渗海床影响的动量方程,将方程拓展到可适用渗透海床情况。对该方程常水深情况下进行了理论分析,并与解析解比较,讨论了方程的相速度及衰减率。在非交错网格下离散该方程,建立了预报—校正的有限差分数值模型。利用数值模型模拟了渗透地形上的波浪传播变形,并与相关实验结果进行了比较,实验结果与数值结果吻合较好,说明这种拓展Boussinesq水波方程至渗透海床情况是合适的。     

波流共同作用下砂质海床动力响应

摘要：
基于饱和土两相混合u-p(土骨架变形-饱和土孔隙水压力)理论,采用基于上下负荷面和各向异性的砂土液化本构模型,建立一个多孔介质弹塑性海床模型,用于分析波流共同作用下砂质海床动力响应规律.计算分析了波流共同作用下,砂质海床瞬时振荡孔隙水压力与残余孔隙水压力累积的响应规律,并获得了海床液化深度的变化规律.此外,比较了采用弹性与弹塑性砂土本构模型时,海床在波流作用下的动态响应差异. 关键词：
两相混合理论; 波流; 砂性海床; 波浪参数; 液化深度; 弹塑性本构 中图分类号： TU 443
文献标志码： A     

波浪作用下管线-海床模型动态响应及液化

基于Biot动力方程,利用COMSOL多物理场有限元计算软件构建了波浪-海床-管线动力响应的计算模型,模拟了一阶斯托克斯波作用下管线周围土体孔压和有效应力分布情况,对海床土体的液化情况进行判断,研究了波浪诱发海床液化及管线失稳的机理.研究过程中采用Partly dynamic动力方程(u-p模式).在Partly dynamic模型中,将海床视为多孔弹性介质,并且将孔压和位移视为场变量,考虑土体位移加速度,忽略孔隙流体惯性项的作用.模型得到验证后的参数研究表明:土体渗透系数、饱和度以及管线埋深、波高等参数对海床的孔压和有效应力影响显著.     

波浪作用下的海床响应及其对建筑物稳定性的影响

应用动弹性固结有限元法,求解了随机波浪作用下饱和海床土体中的孔隙水压力、有效应力和位移的瞬态响应,并对海洋建筑物的稳定性进行分析。建立的有限元计算模型中采用了动弹性固结理论和线性渗流理论,海床可为具有任意边界条件的分层分块弹性多孔介质;利用简单条分法对海床和建筑物进行稳定性分析,在滑动面上考虑波浪附加应力的影响。孔隙水压力响应的理论计算结果与模型实验的量测值吻合的较好。计算表明,近海工程中考虑海床土体受到的波浪附加应力时,海床和建筑物的整体稳定安全系数将降低,降低幅度主要与海床面上的波浪压力、海床的渗透性有关。     

波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床中孔隙水压力响应

利用波浪水槽试验,对波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床的孔隙水压力响应进行了研究．试验中观测了在不同波高、周期、水深和泥沙粒径等条件下,自由底床和有抛石基床防波堤的土体孔隙水压力的变化．试验结果分析表明,随着波高和周期的增大,孔隙水压力幅值增大;随着水深的增大,孔隙水压力幅值减小．建堤后,底床中的孔隙水压力会增大,有效应力会降低,对防波堤的稳定性会造成严重影响．同时试验结果也表明,把基于Biot固结理论的多孔弹性介质模型用于研究波浪作用下海床的动力响应是合理的．     

考虑人工边界的海底管线地震应力分析

海床动力响应分析一般将管线假定为刚性,没有考虑地震荷载作用下海床边界的等效处理,亦不能合理地考虑海床与管线的相互作用效应.基于Biot动力固结理论建立了海床-管线相互作用的计算模型,利用粘弹性人工边界,以大型有限元软件ADINA为平台对El-Centro地震波作用下的海底管线的动力响应进行分析,重点讨论了成层海床土对海床中孔隙水压力和海底管线内应力的影响.结果表明:海床土性的变化对海底管线的内应力影响不大,而对海底管线周围孔隙水压力的影响很重要.     

波浪作用下海床动力反应有限元数值模拟与液化分析

基于二维广义动力Biot固结理论,提出了线性波浪作用下饱和弹性多孔介质海床动力反应的有限元数值解法。静力平衡条件和Biot固结方程组成的边值问题控制方程组可视为其特例。提出的数值模拟方法能够模拟多层非均质海床等复杂土质和地层条件,这是一般解析法难以处理的。讨论了波浪诱发海床液化机理与液化判断准则,对比计算表明驻波造成的最大液化深度往往是推进波导致液化深度的数倍。     

双墩柱波浪渗流力

计算了在线性波或椭圆余弦波作用下双圆墩柱波浪渗流力，讨论了双墩 柱沿波向串列和并列布置时墩柱上渗流力随墩距的变化．计算中在内域采用 有限元方法，在外域使用了本文给出的外场解．进行了双墩柱波浪渗流压力 测量的模型实验．渗流压力的计算结果与实验结果符合较好．     

加速度效应对弹性海床动力反应的影响

基于u～U形式的广义Biot理论,探讨了土骨架和孔隙流体的加速度对波浪作用下弹性海床动力反应的影响。通过算例比较考察了Zienkiewicz等所提判断准则对均质海床的适用性。加速度效应影响程度主要取决于波浪周期、海床厚度和土体剪切模量,Zienkiewicz等所提判断准则并不总适用于判断加速度效应对海床动力反应的影响。一般来说,考虑海床土骨架和孔隙流体加速度与否得到的超静孔压幅值相差很小,但某些情况下不考虑加速度效应可能低估海床内的有效应力幅值,特别是剪应力幅值。     

密度层化流体波动场中小尺度水平圆柱体受力模拟

随着海上采油事业发展,海底输油管线受力分析得到了广泛重视．抛弃刚盖假设,模拟了密度分层流中内波与表面波耦合场,采用Morison公式计算了不同深度处水平小尺度圆柱受到的内波和表面波联合作用力．数值结果表明：表面波对内波的影响是不可忽略的;迁移加速度相对当地加速度是一小量;内波场产生的水平波浪力幅值较小,只在水平方向引入高波数振型;内波对垂向波浪力的影响较大;惯性力远大于拖曳力．这些为海底管线受力分析提供了理论基础．     

波致海床液化引发底边界高浓度悬浮体形成过程的试验研究

国内外众多现场原位观测的实测资料,其结果表明粉质土海床在波浪作用下,水体底边界会产生高浓度悬浮体。利用在黄河三角洲采集的粉质土制作试验土床开展室内水槽试验,旨在揭示波浪荷载持续作用下海床液化引发底边界产生高浓度悬浮体的过程及机制。根据试验现象及海床土体的孔隙水压力变化、水体悬浮泥沙浓度的时空分布,以及悬浮泥沙的粒度变化等特征,分析认为波浪导致的海床液化能够引发底边界高浓度悬浮体的形成。大量的土体细颗粒从液化土体的振荡边界与渗流通道中的析出,是导致高浓度悬浮体形成的重要原因。对进一步探讨黄河口区异重流现象的产生等科学问题具有一定的指导意义。