防止温度应力下海底管线发生整体屈曲的工程措施研究

为减小油气输送难度和避免原油固化,石油、天然气通常在高温高压下输送．输送过程中的高温和高压导致海底管线中产生较大的附加应力,附加应力的不断累积造成管线发生整体屈曲．对于埋地的海底管线通常会产生竖向屈曲大变形而影响使用甚至破坏．因此,需对有可能产生整体屈曲的管线采取工程防护措施．结合我国海洋工程中管线常用的铺设及保护措施,对处于保护状态下管线由温度应力引起的整体屈曲特性进行理论分析和数值推导,对沟槽保护、沟槽掩埋保护以及压块保护措施的有效性进行了系统分析和对比．     

冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动试验研究

为了给海底管线服役期间的安全评估提供科学依据,基于水弹性相似关系,对海底管线服役期间常见水流环境条件下,冲蚀地形上悬跨弹性海底管线涡激振动进行试验研究.采用粘贴于管线内壁的应变片测量振动过程中的应变.通过与平底地形上相关研究结果进行对比分析发现:冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动强度与振动频率均受到冲蚀地形的影响;振动强度随水流折减速度的变化比平底地形要快,在相对冲坑长(悬跨长)L/D为20与L/D为35时涡激振动强度的差别较平底地形上悬跨管线要小得多;管线垂向振动频率随冲蚀地形冲坑长度的减少而增大;冲蚀地形上悬跨管线周围的斯特劳哈尔数St在0.21左右.比相同雷诺数下平底地形上悬跨管线周围St数略大.     

海底地下水排泄及其对沿海海域生态环境的潜在影响

海底地下水排泄(SGD)是海岸带陆海相互作用的一个重要的自然过程.系统介绍SGD的发生过程及其定量测定的方法,并通过水文计算和野外调查,在估算了区域海底地下水排泄量和分析了海水与地下水中氮、磷、碳等营养物质差异的基础上,讨论了SGD对近海海域生态环境的潜在影响,这对正确区分近岸海域营养物质的来源和认识中国沿海水域频繁发生的赤潮藻暴发性增殖事件的原因,具有重要的理论和实践意义.     

快变海底和自由表面流共振生成的弱非线性Stokes波

运用WKBJ型摄动逼近法,对环境流同沙纹海底共振产生的自由表面水波的非线性效应进行了研究。沙纹海底由缓变平均水深部分和快变海底部分叠加构成。根据对快变海底波长的不同选取,可以相应地激发环境流同非平整海底的同步共振、超谐波共振和次谐波共振,由此产生自由表面波运动。对次谐波共振进行了详细考察。对于定常流自治动力系统,对可能出现的非线性各种稳态及其稳定性进行了探讨。假如环境流具有一个小振动分量,动力系统成为非自治的,则将发生混沌现象。     

不同均衡补偿模式下海底地形反演方法比较分析

针对不同均衡补偿模式下导纳函数存在不同的函数表现形式以及涉及诸多地球物理参数的特点,依据最新的全球地壳模型CRUST1.0获得了研究海域海水密度、地壳密度、地幔密度等参数信息。根据谱分析技术,在挠曲导纳函数受有效弹性厚度影响显著波段,采用迭代方法解算了不同有效弹性厚度环境下观测导纳和理论导纳的差值均方差,获得了研究海域有效弹性厚度最佳估值为11 km。分别采用未补偿导纳函数、挠曲导纳函数和Airy导纳函数构建了研究海域海底地形模型1、模型2和模型3,并与ETOPO1模型和GEBCO模型比较发现:模型1和模型2检核精度优于ETOPO1模型和GEBCO模型;相比于ETOPO1模型,模型1和模型2精度提高了49.04%和39.44%。海深分层检核统计结果表明:应用导纳函数构建的海底地形与检核点表现出良好的相关性;同时随着海深的增加,模型检核精度呈现不断升高的趋势。     

冬季冲绳海域地形及黑潮对声传播的影响

冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋,利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明,分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化,纬度越高,水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失,通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布,利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明:声源频率低于表面声道截止频率时,声传播主要受海底地形影响;声源频率高于表面声道截止频率时,位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播,部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播,位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播,斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区,海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显,影响程度与声源深度有关。     

磨西河流域泥石流流域形态的非线性特征

泥石流是磨西河流域地质环境演化的一个重要地表过程,研究该流域内泥石流的地貌发育及演化特征可为磨西河流域第四纪以来地质环境的演变提供重要信息。通过对流域51条泥石流沟地貌形态的统计分析发现,磨西河流域内泥石流的分布在空间上表现出明显的不均性,流域内泥石流沟的数量与对应的主沟长度、主沟纵比降及流域面积之间存在着明显的分形现象,具有较高的自相似性。结果表明,泥石流沟谷形态的非线性演化特征及现象是对磨西河流域冰川环境和地质构造环境响应的直接结果,主要体现在现代冰川对流域的强烈侵蚀和贡嘎山隆升而导致流域的强烈下切。研究结果可为流域内泥石流灾害的形成机理、防灾减灾及流域环境演化提供理论依据。     

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。      

董凡辰荣获《声学学报》2020年度优秀论文奖

根据《声学学报》优秀论文评选办法,经过《声学学报》编辑委员会两轮评选,编委会一致同意,决定授予董凡辰、胡治国、李整林的"南海深海典型不平整地形对声场垂直相关性的影响"(《声学学报》2020年第45卷第6期第785~800页)一文为《声学学报》2020年度优秀论文奖。编委会认为:董凡辰、胡治国、李整林的"南海深海典型不平整地形对声场垂直相关性的影响"(《声学学报》2020年第45卷第6期第785~800页)一文及其相关工作,对深海声场垂直相关特性受海底地形变化影响机理进行了深入研究。     

易拉罐在轴-侧-扭-内压联合作用下的屈曲地貌

柱壳结构广泛应用于各个领域, 但由于其对初始缺陷较为敏感, 容易发生灾难性的屈曲失稳. 本文利用非线性有限元分析程序ABAQUS研究了柱壳屈曲问题, 并应用到了易拉罐的屈曲分析. 首先采用数值模拟的方法验证了Virot等学者的易拉罐屈曲试验结果, 然后为了获得屈曲的一些普适结果, 进一步考察了柱壳的屈曲表现. 对柱壳结构在不同载荷组合、不同几何参数作用下进行了细致分析. 为了讨论的直观, 本文绘制了柱壳结构在受到侧压-轴压载荷作用下外力-屈曲载荷-位移三维屈曲地貌图(称为landscape). 结果表明: 在侧压-轴压-扭转载荷作用下, 试件力-位移曲线出现了"cliff"(断崖)现象; 扭转载荷的施加不利于试件整体稳定性, 并造成了试件对初始缺陷的敏感性; 对于受到轴压-扭转载荷作用的试件, 本文定义承载力为零的平面为"sea level"(海平面)来区分试件破坏模式; 通过对不同边界条件的试件进行分析, 发现试件两端固定可以有效地增加结构的承载能力, 提高稳定性. 对柱壳结构内部充气可以大幅度提升结构的承载能力和稳定性, 减小对初始缺陷的敏感度.