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迷宮形透空式防波堤的水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

何 方，陳 妍，潘佳鵬

（浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021）

摘要：為提升透空式防波堤波浪防護(hù)效果，研究提出一種具有內(nèi)部迷宮透浪通道的形式，迫使波浪發(fā)生多重反射和繞射，并在該過(guò)程中誘導(dǎo)渦旋形成，逐級(jí)消耗波浪能量。基于波浪水槽物理模型試驗(yàn)對(duì)防波堤的透反射和波能耗散特性展開研究，并重點(diǎn)關(guān)注其消浪結(jié)構(gòu)形式、潮位以及入射波高的影響。研究結(jié)果表明，相比于采用菱形柱和圓形柱，內(nèi)部消浪結(jié)構(gòu)采用十字形柱時(shí)的波浪防護(hù)性能更為優(yōu)異，其復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了波能耗散，具有良好的防透射與降反射特性。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，低潮位和大波高情況下，迷宮形透空式防波堤具有更好的波浪防護(hù)性能。研究還進(jìn)一步分析了該防波堤形式所受波壓力的情況，并發(fā)現(xiàn)其所受波壓力沿波浪傳播方向逐級(jí)衰減，前兩排消浪結(jié)構(gòu)單元所受波壓力峰值明顯較大，且在波能耗散中的作用最為顯著，在該防波堤形式的工程應(yīng)用中需進(jìn)行加固。

關(guān)鍵詞：迷宮形；透空式防波堤；波浪防護(hù)；波壓力

聚焦波與水囊潛堤相互作用的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

劉 暢1，劉維杰1，2，金 襲3，趙西增1

（1. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2. 南京水利科學(xué)研究院 水災(zāi)害防御全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3. 溫嶺市農(nóng)業(yè)農(nóng)村和水利局，浙江 臺(tái)州 317599）

摘要：水囊潛堤是一種兼具結(jié)構(gòu)安全及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益的代表性柔性防波堤，具有良好的應(yīng)用前景。開展極端波浪與水囊潛堤相互作用的物理模型試驗(yàn)，分析水囊潛堤在聚焦波作用下的消浪特性，并構(gòu)建波浪與水囊潛堤相互作用的流固耦合數(shù)值模型。基于驗(yàn)證后的數(shù)值模型探究聚焦波作用下水囊充盈度和潛堤位置對(duì)潛堤消浪效果的影響規(guī)律，分析上述因素對(duì)水囊潛堤消浪性能的影響機(jī)制。結(jié)果表明，構(gòu)建的流固耦合模型可準(zhǔn)確地模擬聚焦波與水囊潛堤的相互作用過(guò)程；相比剛性潛堤，水囊潛堤與波浪相互作用更為劇烈，具有更好的消浪性能；水囊充盈度的改變可通過(guò)同時(shí)改變潛堤的反射和耗散作用影響其消浪效果，其中耗散作用主要通過(guò)改變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦量而產(chǎn)生，聚焦波作用下水囊潛堤的最佳充盈度為96%；潛堤布放位置在聚焦振幅較大時(shí)對(duì)消浪效果影響較大，潛堤位置離聚焦位置越近，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦量及波面渦量耗散越大，消浪效果越好。相關(guān)結(jié)果可以為柔性水囊潛堤在實(shí)際極端海況下的應(yīng)用提供一定借鑒，對(duì)于提高海洋防災(zāi)減災(zāi)能力、保護(hù)海洋環(huán)境等具有重要意義。

關(guān)鍵詞：水囊潛堤；CIP方法；聚焦波；流固耦合；消浪性能；防波堤

基于離散元法的沙漏形FPSO海冰載荷特性研究

李 昊1，2，劉 俊1，王文華2

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

摘要：北極地區(qū)油氣資源儲(chǔ)備豐富，然而海冰環(huán)境給極地海洋裝備作業(yè)帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。當(dāng)前對(duì)極區(qū)油氣開發(fā)核心裝備FPSO的冰載荷特性研究并不充分。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在極地區(qū)域安全運(yùn)行，提出將沙漏形FPSO投入極區(qū)使用。利用平臺(tái)和海冰相互作用的離散元分析方法，數(shù)值模擬沙漏形FPSO與典型海冰的作用過(guò)程，分析不同裝載吃水下的沙漏形FPSO冰載荷時(shí)域特性，并選取多工況與相同功能的傳統(tǒng)圓筒形FPSO的冰載荷進(jìn)行對(duì)比；基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，討論典型冰況下的海冰速度、海冰密集度、海冰厚度等冰況參數(shù)對(duì)沙漏形 FPSO所受冰載荷的影響。結(jié)果表明：當(dāng)裝載吃水位于沙漏形 FPSO的腰線以上時(shí)，冰載荷較小且 FPSO具有優(yōu)良的工作性能；沙漏形 FPSO基于其外形特點(diǎn)相較圓筒形 FPSO在抗冰性能上具備顯著優(yōu)勢(shì)；典型冰況中海冰速度對(duì)沙漏形FPSO的冰載荷影響最顯著，海冰密集度次之，且兩者相互作用明顯。研究結(jié)果可為極區(qū)FPSO的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：沙漏形FPSO；海冰載荷；DEM數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)；方差分析

冰區(qū)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)非線性強(qiáng)度校核方法規(guī)范對(duì)比研究

陳香淦1，李 昊1，劉 俊1，曾 佳2

（1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

摘要：冰區(qū)船舶在航行過(guò)程中可能與海冰相互作用而發(fā)生結(jié)構(gòu)永久性損傷，各船級(jí)社對(duì)冰載荷作用下的極地船舶強(qiáng)肋骨和承載縱桁的非線性直接強(qiáng)度校核提出了新的要求，但相關(guān)規(guī)定差異較大。通過(guò)對(duì)比主要船級(jí)社規(guī)范和指南中與強(qiáng)肋骨和承載縱桁非線性直接強(qiáng)度校核相關(guān)的要求，解讀各規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)模型化方法、材料模型以及強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)之間的差異。選取冰帶縱桁作為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)例計(jì)算探究這些差異對(duì)于強(qiáng)度校核結(jié)果的影響，分析各規(guī)范強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)的相對(duì)安全水平及適用性。結(jié)果表明，材料模型對(duì)非線性強(qiáng)度分析結(jié)果有一定影響，硬化模量較大時(shí)影響較為顯著。俄羅斯船級(jí)社的強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)相較于其余船級(jí)社更加保守，采用永久變形量作為衡準(zhǔn)進(jìn)行非線性強(qiáng)度校核容易導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)安全度的誤判。研究成果能夠?yàn)闃O地船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：冰區(qū)加強(qiáng)；冰帶縱桁；非線性有限元；強(qiáng)度校核；規(guī)范對(duì)比

緩波型立管移管安裝全過(guò)程非線性動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值研究

阮偉東，劉 凱，周成承，聶慶林

（浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

摘要：隨著海洋油氣工程不斷向更深海域發(fā)展，海洋立管的安裝面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)?；趯?shí)際工程項(xiàng)目案例和OrcaFlex軟件，結(jié)合緩波型立管移管安裝主要步驟建立了深水鋼質(zhì)緩波型立管移管安裝全過(guò)程力學(xué)評(píng)估模型，開展了深水緩波型立管移管安裝全過(guò)程數(shù)值模擬分析和關(guān)鍵參數(shù)影響評(píng)價(jià)，研究了緩波型立管移管安裝過(guò)程各階段力學(xué)性能變化規(guī)律，并針對(duì)安裝船與浮式平臺(tái)水平距離以及立管頂端下放深度進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。研究發(fā)現(xiàn)，安裝船與平臺(tái)水平距離以及立管頂端下放深度對(duì)收放（A&R）纜繩和平臺(tái)吊纜張力影響較小，而對(duì)轉(zhuǎn)移階段纜繩懸垂角和立管彎矩有著較大影響。該研究可以為海上油氣開采管道鋪設(shè)工程提供一定參考。

關(guān)鍵詞：緩波型立管；移管安裝；全過(guò)程模擬；A&R纜繩

深海鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)水下內(nèi)爆流固耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理研究

鄭建才1，2，賀宇培1，2，趙 敏1，2，夏 ?1，2

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海交通大學(xué) 海洋工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

摘要：深海鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)外表面承受高壓靜水載荷，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷失效時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生一種持續(xù)時(shí)間極短，沖擊波峰值極大的水下內(nèi)爆現(xiàn)象。基于任意拉格朗日歐拉方法結(jié)合Johnson-Cook本構(gòu)和失效模型，對(duì)深海鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)的內(nèi)爆流固耦合過(guò)程及毀傷特性開展研究。首先對(duì)比了水下內(nèi)爆試驗(yàn)中的沖擊波載荷及結(jié)構(gòu)坍塌形態(tài)，驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。然后分析了鈦合金球形耐壓殼內(nèi)爆時(shí)的流固耦合機(jī)制、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及能量演化機(jī)理，探究超大深度載荷下鈦合金球形耐壓殼由于極限強(qiáng)度失效而破壞的物理機(jī)制。結(jié)果表明：鈦合金球形耐壓殼內(nèi)爆后完全破壞成大碎塊和小碎片；相同距離處的沖擊波峰值隨靜水壓力的增大而線性增大，但增長(zhǎng)率隨距離的增大而遞減。

關(guān)鍵詞：鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)；水下內(nèi)爆；流固耦合；Johnson-Cook本構(gòu)和失效模型

基于多孔介質(zhì)層的振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置水動(dòng)力性能的數(shù)值研究

李夢(mèng)瑤1，鄧爭(zhēng)志1，葉楊莎1，程一帆2

（1. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

摘要：在以往振蕩水柱（oscillating water column，簡(jiǎn)稱OWC）波能轉(zhuǎn)換裝置的數(shù)值模擬研究中，小孔或多孔介質(zhì)模型常被用作能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的簡(jiǎn)化替代，但兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其差異卻鮮有深入研究。利用 OpenFOAM 開源代碼平臺(tái)，基于 DarcyForchheimer模型替代空氣透平，對(duì)比了非線性和線性多孔介質(zhì)模型的壓降和能量耗散效果。提出一種通過(guò)OWC結(jié)構(gòu)氣室內(nèi)的水柱位移和相對(duì)氣壓歷時(shí)曲線來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的多孔介質(zhì)非線性孔隙參數(shù)的方法，得到了小孔模型開孔率與多孔介質(zhì)非線性孔隙參數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。比較了小孔和多孔介質(zhì)模型氣室內(nèi)自由液面、相對(duì)氣壓和流場(chǎng)情況，并且探究了多孔介質(zhì)層厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果表明，非線性和線性多孔介質(zhì)模型的計(jì)算結(jié)果有著較大差異，非線性多孔介質(zhì)模型在模擬自由液面位移和氣室內(nèi)相對(duì)氣壓等OWC波能轉(zhuǎn)換裝置的典型水動(dòng)力特征方面與小孔模型有一樣的效果，但計(jì)算效率可提高20倍左右。

關(guān)鍵詞：OpenFOAM；振蕩水柱；多孔介質(zhì)模型；非線性空氣透平；線性空氣透平

水翼間距對(duì)串列布置全被動(dòng)式雙水翼獲能的影響

黃 麗1，劉 臻1，2，宋馨鈺1，倪和強(qiáng)1

（1. 中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266404；2. 中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266404）

摘要：單個(gè)振蕩水翼裝置獲能有限，對(duì)其進(jìn)行陣列布置是振蕩水翼裝置規(guī)?；l(fā)展的主要方向之一。構(gòu)建串列布置雙水翼的二維模型，采用全被動(dòng)式控制策略，通過(guò)數(shù)值模擬研究了水翼間距對(duì)全被動(dòng)式雙水翼水動(dòng)力特性及獲能性能的影響。通過(guò)分析流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及獲能性能變化，研究了串列布置全被動(dòng)式雙水翼干涉機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，水翼間距增大，下游水翼獲能性能隨之提高。此外，根據(jù)無(wú)量綱化水翼間距Lx*∈［3. 0，16. 0］中各下游水翼的流場(chǎng)變化，將串列雙水翼翼渦作用分為3類，其中第Ⅲ類翼渦作用為維持下游水翼良好水動(dòng)力性能的理想作用類型。在Lx*=6. 0的最優(yōu)工況下，雙水翼系統(tǒng)平均功率系數(shù)與平均效率的獲能系數(shù)分別為0. 7和0. 8，其陣列獲能密度及有效用海效率分別為118. 8 W/m2和0. 12。

關(guān)鍵詞：全被動(dòng)式；串列布置；水翼間距；流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；獲能性能

基于Timoshenko-Pasternak模型的水平受荷大直徑樁靜力響應(yīng)分析

范思圓，趙金海，俞長(zhǎng)海，黃 丹

（河海大學(xué) 工程力學(xué)系，江蘇 南京 211100）

摘要：為彌補(bǔ)傳統(tǒng) Euler-Winkler（簡(jiǎn)稱 E-W）計(jì)算模型在單樁水平靜力響應(yīng)分析中的不足，基于 Timoshenko 梁理論和Pasternak地基理論，建立同時(shí)考慮土體剪切效應(yīng)和樁身剪切變形的Timoshenko-Pasternak（簡(jiǎn)稱T-P）模型。首先，基于T-P模型推導(dǎo)單樁的整體平衡方程組；其次，運(yùn)用傳遞函數(shù)方法結(jié)合迭代法求解；最后，通過(guò)實(shí)際案例分析，驗(yàn)證方法的合理性和適用性。結(jié)果表明：在大變形情況下（10 mm以上），T-P計(jì)算模型比E-W計(jì)算模型更適用于大直徑鋼管樁的側(cè)向位移計(jì)算；T-P模型可以較好反映出樁身的剪力變化情況，但存在高估深層土處剪切力的現(xiàn)象；樁頂位移與土-樁相對(duì)剪切比呈正比例關(guān)系，且土體剪切效應(yīng)相比鋼管樁剪切變形對(duì)側(cè)向位移的影響更為顯著；樁身變形越接近于剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，樁頂承載力增幅越大，樁身變形越接近于柔性變形，樁頂承載力增幅越小。

關(guān)鍵詞：p-y曲線；大直徑單樁；Timoshenko-Pasternak模型；剪切變形；海上風(fēng)電

基于頻譜分析的二階非線性隨機(jī)波作用下海床液化概率計(jì)算

蔡明輝1，2，楊明輝1，2，楊 漢1，2

（1. 廈門大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門 361005；2. 福建省濱海土木工程數(shù)字仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005）

摘要：惡劣海況條件下由波浪荷載引起的海床液化是造成海洋結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)的主要因素之一。為研究惡劣海況條件下海床最大液化深度的響應(yīng)問(wèn)題，首先將海洋波浪視為二階非線性隨機(jī)波，并以波浪頻譜作為描述隨機(jī)波浪的主要參數(shù)，推導(dǎo)了海床內(nèi)部超孔隙水壓力響應(yīng)頻譜與隨機(jī)波頻譜關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，考慮了隨機(jī)波浪荷載作用下海床動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的不確定性，依據(jù)基于瑞利變換的概率分析方法，結(jié)合二階非線性隨機(jī)波作用下超孔隙水壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)解析解，提出了以頻譜為基礎(chǔ)計(jì)算參數(shù)的非線性隨機(jī)波作用下海床土體液化概率的求解方法，該方法可直接計(jì)算不同深度處海床液化概率值，概率計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便高效，并與他人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。最后，利用Jonswap譜作為輸入頻譜進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示：有效波高Hs與顯著波周期Ts的增大會(huì)增大不同深度處的海床液化概率，且最大液化深度也隨之增加；而在相同的波浪等級(jí)下，最大液化深度隨水深d的減小而增大；非均勻海床上覆土層的性質(zhì)主導(dǎo)了海床的液化概率分布情況。

關(guān)鍵詞：二階非線性隨機(jī)波；波浪荷載；海床動(dòng)態(tài)響應(yīng)；頻譜；液化概率

考慮波浪對(duì)粉砂質(zhì)岸坡作用的離心模型試驗(yàn)

張 晨，朱 洵，王 羿，顧行文

（南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024）

摘要：波浪作用對(duì)岸坡穩(wěn)定性有顯著影響。為在模型試驗(yàn)中反映波浪作用下岸坡的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，完成了一組關(guān)于有限水深條件下波浪對(duì)粉砂質(zhì)岸坡作用的離心模型試驗(yàn)，其中超重力環(huán)境下的波浪由沖箱式造波機(jī)生成。介紹了超重力場(chǎng)下沖箱式造波機(jī)的造波特點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了粉砂質(zhì)岸坡在波浪作用下的沖刷特征和破壞模式，提出了基于沖刷形態(tài)的剝蝕率指標(biāo)，并探討了岸坡表面和土體內(nèi)部孔隙水壓力的變化規(guī)律。結(jié)果表明，粉砂質(zhì)岸坡在波浪作用下出現(xiàn)了明顯的侵蝕-后退現(xiàn)象，水面線附近侵蝕嚴(yán)重，破壞面的坡率大約在65°，破壞模式表現(xiàn)為淺層滑坡。水面線附近的岸坡受波浪作用影響，出現(xiàn)了類似“液化”現(xiàn)象；同時(shí)坡內(nèi)的滲流過(guò)程進(jìn)一步影響了岸坡穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：粉砂質(zhì)岸坡；離心模型試驗(yàn)；沖箱式造波機(jī)；波浪作用；侵蝕特性

導(dǎo)流堤影響下碼頭后方及下方流動(dòng)特性數(shù)值模擬研究

曠 敏1，姚 宇1，2，許從昊1，2，陳 龍1，2

（1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

摘要：基于Navier-Stokes方程結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的k-ω?SST湍流模型建立三維數(shù)值模型，對(duì)導(dǎo)流堤影響下中國(guó)東南沿海某碼頭后方及下方水域流動(dòng)特性進(jìn)行分析，研究了在不同堤長(zhǎng)和角度組合工況下碼頭后方及下方水平流場(chǎng)、水平渦量、湍動(dòng)能和沿岸方向海床剪切應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明：隨著堤長(zhǎng)增大，碼頭后方有效導(dǎo)流區(qū)域的面積和沿岸方向海床剪切應(yīng)力增強(qiáng)的范圍先增大后減小，在堤身長(zhǎng)度等于碼頭后方水域?qū)挾纫话霑r(shí)達(dá)到最大，渦量和湍動(dòng)能增強(qiáng)的區(qū)域面積隨之增大；隨著夾角增大，碼頭后方有效導(dǎo)流區(qū)域的面積和沿岸方向海床剪切應(yīng)力增強(qiáng)的范圍逐漸減小，渦量和湍動(dòng)能增強(qiáng)的區(qū)域面積先增大后減小，在堤身與岸線夾角等于90°時(shí)達(dá)到最大。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流堤；高樁碼頭；Navier-Stokes方程；流動(dòng)特性

深海采礦垂直管道級(jí)配粗顆粒固液兩相流數(shù)值模擬研究

胡小林1，王 樂(lè)1，徐禮康1，聶程程2，趙桂欣3，萬(wàn)初一3

（1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 武漢海?？苿?chuàng)科技有限公司，湖北 武漢 430000；3. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

摘要：礦物粗顆粒的垂直管道輸送對(duì)于深海采礦較為適用。實(shí)際深海采礦工程中，礦物顆粒并非單一粒徑，而是以級(jí)配形式存在。而級(jí)配礦物顆粒在垂直管道輸運(yùn)過(guò)程中的變化規(guī)律探究較少。文中將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱 CFD）與離散元（discrete element method，簡(jiǎn)稱 DEM）相結(jié)合，對(duì)初始速度、進(jìn)料體積分?jǐn)?shù)和顆粒級(jí)配等不同工況下的管道內(nèi)輸運(yùn)機(jī)理進(jìn)行了深入研究。無(wú)論何種工況，小中大3種顆粒的軸向速度均從小到大分布，是因?yàn)樾☆w粒更多的與壁面發(fā)生碰撞、摩擦而損失動(dòng)能。3種顆粒的軸向速度隨著初始速度（從2 m/s到4 m/s）和進(jìn)料體積分?jǐn)?shù)（從2. 5%到7. 5%）的增加而增大，而顆粒級(jí)配的變化對(duì)其影響不大。流場(chǎng)的湍動(dòng)能和軸向流體速度隨著初始速度和進(jìn)料體積分?jǐn)?shù)的增加而增大；而隨著顆粒級(jí)配的變化（從1∶1∶1到1∶6∶1），湍動(dòng)能減少，軸向流體速度基本不變。壁面剪應(yīng)力隨著初始速度和進(jìn)料濃度的增加而增大又隨著級(jí)配變化而降低。結(jié)論對(duì)于了解深海采礦輸運(yùn)機(jī)理、提升輸運(yùn)效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：深海采礦；CFD-DEM；管道輸運(yùn)；級(jí)配粗顆粒；固液兩相流

三氣合采中天然氣助排舉升水合物漿液流動(dòng)機(jī)理研究

唐 洋1，2，3，4，徐嘉慶1，2，付 強(qiáng)5，張吳鏑1，2，王國(guó)榮1，2，3

（1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學(xué) 能源裝備研究院，四川 成都 610500；3.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；4.懷柔實(shí)驗(yàn)室，北京 101407；5. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

摘要：海洋天然氣水合物試采過(guò)程中存在水合物產(chǎn)量低，在射流破碎工況下沉沙嚴(yán)重、返出液極少甚至失返等問(wèn)題。為提高水合物產(chǎn)量，充分利用開采設(shè)備的價(jià)值，基于天然氣水合物、淺層氣、天然氣藏縱向立體開發(fā)思想，提出了一種三氣合采分層調(diào)控工程實(shí)施方案。基于氣液兩相流理論，考慮水合物自分解行為以及固相顆粒有效運(yùn)移條件，建立了天然氣水合物固態(tài)流化不同開采階段下天然氣助排舉升水合物漿液數(shù)學(xué)模型，并對(duì)氣液流動(dòng)機(jī)理相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解和驗(yàn)證，最終得到了三氣合采分層調(diào)控工藝中天然氣助排舉升水合物漿液工藝圖版。在水平段鉆進(jìn)階段，鉆井液流量大于13 L/s時(shí)，不需要額外注入氣相即可保證固相顆粒的有效運(yùn)移，注入氣體可加速固相顆粒的運(yùn)移，根據(jù)鉆井液的泵入量，氣相注入量范圍為0~67 L/s；水合物破碎回收階段，破碎流量在49~55 L/s內(nèi)，不需要額外注入氣相即可保證固相顆粒的有效運(yùn)移，在水合物破碎流量范圍內(nèi)，氣相注入量范圍為0~129 L/s。該研究為提高水合物開采產(chǎn)量，加快實(shí)現(xiàn)水合物早期商業(yè)化開采，推進(jìn)中國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)

現(xiàn)提供了參考和幫助。

關(guān)鍵詞：三氣合采；天然氣水合物；氣液兩相流；水合物漿液；注氣量

考慮土體破壞模式的深海采礦車履齒牽引力研究

李 浩1，2，席明帥3，陳峰落1，2，沙 飛3，盧 宇1，2，欒魯寶3

（1. 招商局海洋裝備研究院有限公司，廣東 深圳 518067；2. 招商局深海裝備研究院 （三亞） 有限公司，海南 三亞 572000；3. 中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100）

摘要：履帶作為支撐采礦車在深海沉積物上開展采集作業(yè)的關(guān)鍵裝備，其與沉積物間的相互作用復(fù)雜。目前的研究主要集中于履帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)牽引性能的影響，對(duì)土體破壞模式與牽引性能間關(guān)系的研究不足，且牽引力的計(jì)算較少考慮不同土體破壞模式。文章研究分析了不同接地比壓與土體剪切強(qiáng)度條件下的牽引力及土體破壞模式變化規(guī)律，討論了土體破壞與牽引力間的關(guān)系。研究表明：履齒高度相同，接地比壓在 1~5 kPa范圍內(nèi)，最大牽引力隨著接地比壓的增加而增加；超過(guò) 5 kPa后，由于土體破壞面積的限制，最大牽引力趨向穩(wěn)定。履齒高度在8~15 cm范圍內(nèi)，土體破壞面積隨著履齒高度的增加而增加，對(duì)應(yīng)最大牽引力也隨之增加。土體剪切強(qiáng)度與豎向應(yīng)力共同影響齒后土體破壞模式的發(fā)展，僅當(dāng)土體剪切強(qiáng)度3. 20 kPa且接地比壓為7、9 kPa時(shí)土體發(fā)生直剪破壞，土體剪切強(qiáng)度的增加和接地比壓的降低使得破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾ㄐ纹茐?。此外，文章?jì)算了不同破壞模式下的土推力，為實(shí)際牽引力的預(yù)測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞：深海采礦；牽引力；土體破壞模式；相互作用；土推力

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的Kelvin源格林函數(shù)數(shù)值預(yù)報(bào)

周子軒1，朱仁傳1，2，詹 可1

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海交通大學(xué) 海洋工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

摘要：快速、準(zhǔn)確地計(jì)算Kelvin源格林函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)是求解船舶移動(dòng)興波問(wèn)題的基礎(chǔ)及核心，其主要困難源于遠(yuǎn)場(chǎng)波動(dòng)項(xiàng)積分核的高頻振蕩。鑒于機(jī)器學(xué)習(xí)理論中多層感知機(jī)（multilayer perceptron，簡(jiǎn)稱 MLP）的強(qiáng)大非線性映射能力，構(gòu)建了針對(duì)Kelvin源格林函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)的MLP數(shù)值預(yù)報(bào)模型。模型訓(xùn)練及測(cè)試所需的高精度數(shù)據(jù)樣本均由自適應(yīng)積分方法生成。為了充分利用樣本信息，降低訓(xùn)練耗時(shí)，提出了一種基于收斂函數(shù)的創(chuàng)新采樣策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)近自由面區(qū)域的局部加密采樣。數(shù)值分析結(jié)果表明，MLP模型預(yù)報(bào)精度良好，且效率顯著優(yōu)于自適應(yīng)積分等數(shù)值方法。該模型不僅在興波問(wèn)題求解中有重要應(yīng)用價(jià)值，也為機(jī)器學(xué)習(xí)在傳統(tǒng)水動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的思路。

關(guān)鍵詞：Kelvin源格林函數(shù)；遠(yuǎn)場(chǎng)波動(dòng)項(xiàng)；高頻振蕩；多層感知機(jī)

恒溫模式驅(qū)動(dòng)下的二維微機(jī)電系統(tǒng)熱膜式壁面切應(yīng)力傳感器水下標(biāo)定試驗(yàn)研究

劉 祺1，夏明嫣1，龐 鵬2，徐 華1，成澤霖1

（1. 南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024；2. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072）

摘要：床面切應(yīng)力的測(cè)量研究是推動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng)理論進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。圍繞新型恒溫模式下熱膜式壁面切應(yīng)力傳感器標(biāo)定問(wèn)題，對(duì)已有水下壁面切應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置進(jìn)行了改進(jìn)，提高了該裝置的便利性與實(shí)用性，并且通過(guò)該裝置進(jìn)行了恒溫模式驅(qū)動(dòng)下的二維微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，簡(jiǎn)稱MEMS）熱膜式壁面切應(yīng)力傳感器在不同水溫下的水下大小與方向標(biāo)定試驗(yàn)。研究表明：改進(jìn)后的標(biāo)定裝置可成功實(shí)現(xiàn)不同水溫下的壁面切應(yīng)力傳感器靜態(tài)標(biāo)定，恒溫模式可驅(qū)動(dòng)該傳感器完成水下切應(yīng)力測(cè)試；通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)，構(gòu)建了傳感器不同溫度下統(tǒng)一標(biāo)定公式；經(jīng)標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證后的傳感器靈敏度與準(zhǔn)確性可以滿足一般河口海岸工程對(duì)床面切應(yīng)力的測(cè)量要求；該二維壁面切應(yīng)力傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面切應(yīng)力角度的有效測(cè)量。標(biāo)定后的傳感器可應(yīng)用于破碎波、波流等復(fù)雜海洋水動(dòng)力條件下床面切應(yīng)力的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：切應(yīng)力；切應(yīng)力傳感器；泥沙運(yùn)動(dòng)；恒溫模式；標(biāo)定；試驗(yàn)

基于SFS混合反射模型的側(cè)掃聲吶圖像三維重建

袁明新1，2，張 亮1，王以龍1，劉 維3

（1. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 張家港江蘇科技大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 張家港 215600；3. 中科探海 （蘇州） 海洋科技有限責(zé)任公司，江蘇 張家港 215600）

摘要：基于明暗恢復(fù)形狀（shape from shading，簡(jiǎn)稱SFS）方法進(jìn)行海底側(cè)掃聲吶圖像三維重建時(shí)，會(huì)因?yàn)榉椒ㄖ蟹瓷淠Ｐ团c海底表面不相符而降低重建精度。為此文章在分析大陸架海底表面特點(diǎn)及側(cè)掃聲吶工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了基于SFS混合反射模型的側(cè)掃聲吶圖像海底地形重建方法。首先在保留Lambert漫反射模型的基礎(chǔ)上引入Blinn-Phong鏡面反射模型，并基于側(cè)掃聲吶圖像粗糙度進(jìn)行漫反射系數(shù)、鏡面反射系數(shù)和鏡面反射指數(shù)的自適應(yīng)設(shè)計(jì)，從而形成適合復(fù)雜海底表面的混合反射模型；然后線性化處理輻射照度方程，并采用牛頓-拉夫遜方法來(lái)獲得海底表面高程；最后根據(jù)海底點(diǎn)設(shè)計(jì)反演高程約束系數(shù)來(lái)約束表面高程，進(jìn)而完成側(cè)掃聲吶圖像的三維重建。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，相較于其他三維重建方法，文中方法的平均絕對(duì)誤差值VMAE平均降低了32. 18%、相關(guān)系數(shù)值VCC平均提高了29. 62%、信噪比值VSNR平均提升了27. 23%，有效實(shí)現(xiàn)了側(cè)掃聲吶圖像三維重建。

關(guān)鍵詞：側(cè)掃聲吶圖像；明暗恢復(fù)形狀方法；混合反射模型；三維重建

剪切流引發(fā)港口共振的數(shù)值模擬研究

陳俊毅1，王 崗1，付睿麗1，陶愛(ài)峰1，楊子原2

（1. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

摘要：如同空氣吹過(guò)風(fēng)琴引起其管內(nèi)空氣共振，流速較強(qiáng)的剪切流經(jīng)過(guò)港口時(shí)也可能引發(fā)港口水面發(fā)生共振現(xiàn)象。Fabrikant從理論上給出了引發(fā)不同港口共振模態(tài)的剪切流流速解析解，但從未得到物理模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬的驗(yàn)證。為此，基于NHWAVE數(shù)值模型，模擬不同剪切流引發(fā)的港口波動(dòng)現(xiàn)象，檢驗(yàn)Fabrikant所提理論的正確性。結(jié)果表明，剪切流抵達(dá)港口后將引發(fā)低模態(tài)水波共振，且共振波幅隨著時(shí)間快速衰減。港內(nèi)的最大振幅隨著剪切流流速增大而增大，振蕩持續(xù)時(shí)間隨著剪切流流速增大而減小。在 Fabrikant理論預(yù)測(cè)可引發(fā)港口共振的剪切流流速條件下，并未出現(xiàn)持續(xù)的港口共振現(xiàn)象。因此，文中的研究證實(shí)任意流速的剪切流均可引發(fā)港口共振，但該共振是瞬態(tài)的，其波幅隨時(shí)間快速衰減。

關(guān)鍵詞：港口振蕩；數(shù)值模擬；剪切流；NHWAVE

來(lái)源：《海洋工程》

長(zhǎng)按二維碼

關(guān)注“南京水利科學(xué)研究院”