多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率．本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布．结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险．对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响．三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性．     

基于长短期记忆网络的半潜平台波浪爬升预报

波浪爬升问题与半潜式平台安全密切相关,波浪爬升的实时在线预报有助于保障海上作业安全.基于长短期记忆(LSTM)神经网络模型,以波浪和平台运动时间序列为输入,建立半潜式平台波浪爬升高度的极短期在线预报方法.通过平台模型试验获得训练与测试数据,对LSTM模型性能进行检验.结果显示,在提前预报量为6 s和12 s时,波浪爬升高度的平均预报精度分别为92.90%和84.09%,最大值相对误差不高于19.69%和30.66%;同时,模型在提前预报量低于6 s时能够对较大的波浪爬升极值实现准确且稳定的预报,可为海上平台运营过程中波浪砰击和越浪等风险预警提供有效技术支持.     

基于四叉树网格近海海域波浪、潮流相互作用的数学模型

针对近海岸区域地形、水文、泥沙运动复杂的特点,本文建立了高效的近岸平面二维隐格式潮流、波浪联合作用的数值计算模式.水动力数值模型以非线性的浅水方程为基础,应用Quadtree非结构网格,变量布设采用同位网格,u,v及水位变量布设在同一个节点上,简化计算程序的代码.采用有限体积方法离散方程,应用SIMPLEC程式求解离散的控制方程,由Rhie-Chow的动量插值方法计算界面通量可以避免棋盘式波动.整合的方程组采用最小残差法（GMRES）求解,并利用预条件的不完全Lu分解方法加速其收敛性、提高计算效率.波浪模型以考虑波浪折射、绕射、衍射以及波浪破碎影响的多向不规则波的波作用量守恒方程为基础,计算的波浪幅射应力反应波浪对水体的驱动力.将本文的耦合模型应用到稳态丁坝绕流、理想海湾、法国的Gironde Estuary、波生沿岸流和美国的Grays Harbor算例中,数值模拟结果分别和实验值及测量结果进行比较.计算结果表明,本文建立的平面二维波浪、潮流耦合的数值模型能够准确、高效的模拟复杂计算域的潮流及波浪问题,该模型对近海工程的顺利开展以及海岸带环境保护等方面具有重要的应用价值.     

台阶式海堤结构参数对堤前波浪特性的影响研究

采用数值分析与物理模型试验相结合的方法,探讨了台阶式海堤与波浪相互作用的基本规律以及海堤的坡度和台阶高度对堤前波浪特性的影响.研究结果表明:当海堤台阶高度一定时,海堤的坡度越缓,台阶的相对宽度越大时,因堤前波浪壅高增大会导致波浪的反射系数越大,此时波浪在海堤台阶溯上流下过程中消耗的波浪能就会越多,波浪爬高会越小;当海堤坡度一定时,海堤台阶高度越大,台阶的相对高度越大时,因堤前增多的反射波与入射波叠加剧烈而会导致波浪的反射系数越大,此时因为海堤台阶上残余的波浪减少而导致转化成的波浪势能越少,所以波浪爬高也会越小.     

波浪对台风风暴潮过程的影响分析

利用胡克林等建立的长江口及邻近海域的二维风暴潮数值计算模式,对2007-2008年有较大影响的4次台风风暴潮进行加波浪和不加波浪的后报计算.将计算结果与实测资料进行比较分析,得出结论:波浪对于风暴潮的影响程度取决于台风的路径、登陆地点和不同时刻.在台风登录前后一两天内,加波浪计算比不加波浪计算出的风暴潮水位精度总体要高;当台风传播到近岸时,波浪破碎对近岸增水影响较大,需要加波浪计算台风风暴潮;对南登陆北上转出型台风风暴潮计算时需加波浪,而对南登陆型可不必加波浪,以提高计算效率.     

二层流体中透空大直径桩柱的波浪特性分析

 采用典型的海工结构物——大直径垂直圆柱研究层化海洋中波浪对透空结构物的绕射作用。通过分析二层海洋条件下边值的匹配问题,利用特征函数法提出内、外流场流体绕射势解析解,并在二层海况下计算透空圆柱所受水平波浪力及柱内、外的自由波面波浪爬高。计算结果分别与均匀海中透空桩柱和二层海中非透空桩柱的相应结果加以比较,分析得出在层化海洋中结构物的透空性对减弱波浪力和波浪爬高有很大影响。     

波浪辐射应力对潮流的影响

利用考虑能量损失的抛物型缓坡方程计算大区域的波浪辐射应力,作为附加项添加到深度平均的二维潮流方程中,从而研究长时间波浪作用对于潮流的影响．数值试验表明,波浪在长时间作用后,波浪辐射应力对潮位的影响很小,可以忽略不计,但是对潮流流速有比较大的影响,尤其是在波浪破碎的情况下,在潮流流速计算中必须加以考虑．     

波浪入射角及地形对浮体水动力学特性影响的有限元分析

利用有限元方法分析了二维情况下波浪入射角及地形对浮体水动力学特性的影响，计算了不同情况下浮体的水动力学系数；通过与简单地形情况下解析解的比较，验证了数值方法的正确性；并在分析中采用了BiCGStab算法，高效地求解离散形成的线性方程组，大大地提高了分析的效率。研究结果为海上结构物的设计提供了关键的水动力学数据。     

波浪与水流作用对翼形网箱容积保持特性的影响

采用有限元法,对NACA0030型翼形网箱在纯浪和浪流共同作用下的容积保持率进行了计算,通过对比分析研究了网箱容积的变化趋势。研究结果表明:两类环境条件下网箱的容积保持率有所降低,浪高越大,降低越多,且随着波浪周期降低而降低;容积保持率变化情况呈现周期性变化,变化周期与波浪周期基本保持一致,容积保持率变化曲线存在相位前置约π/4;纯浪情况下网箱容积最大值出现于7/8T处,最小值位于2/8T处,而浪流情况下网箱容积最大值出现于7/8T处,最小值位于4/8T处;纯浪情况下会明显出现浮管与网衣X向运动的不协调,浪流共同作用时二者除了会出现纯浪条件下的X向不一致,也会导致Z向运动的不一致。水流对网衣的容积保持性能有较大的影响,翼形网箱实际使用时应着重加以考虑。     

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。     

逆流中的波要素

本文探讨了波浪进入逆流场后波要素的变化问题.文中分别用波作用量守恒原理和波能流守恒原理,按线性波和三阶斯托克斯波理论,对逆流场中未破碎前波要素变化规律,作了较为深入的理论分析和计算.基于水槽模型试验成果,分析和比较了各理论计算结果.文末指出,在逆流场中,未破碎前的波参数预报,宜按波作用量守恒原理、用三阶斯斯托克斯波理论进行计算.     

振荡水柱波能转换器的消反射特性研究

基于势流理论,建立了振荡水柱(OWC)型波能转换器的二维数学模型.采用去奇异的边界积分方程法(DBIEM)模拟了完全非线性波.通过调整OWC腔室内振荡压强的幅值和相位,使OWC工作于消反射状态.研究了波能吸收效率与OWC腔室内振荡压强的幅值、相位的关系.数值计算表明:消反射时,OWC的波能吸收效率比传统形式的OWC高很多.在消反射状态下,OWC腔室内振荡压强和通过透平气体流量的幅值增大且二者存在相位差,这与传统的OWC是不同的.最后提出了不同于传统形式的新型OWC波能转换器的设计思路.     

流中水平无旋浅水波与大圆柱相互作用

对于流中的水平无旋浅水波动 ,由三维的纳维 斯托克斯方程出发 ,导出了一组Boussinesq方程 .通过求解此方程组可得到一特定水深的水平速度及表面抬高 ,然后即可由解析表示式很容易地求出三维速度分布及压力分布 .用此方法讨论浅水波流绕射垂直穿剌水面大圆柱的波浪力 ,考虑了碎波影响 ,得到了较好的结果 .     

高温热浪与臭氧交互作用对高血压大鼠影响的实验研究

通过模拟高温热浪与臭氧协同暴露的实验研究,探讨高温热浪与臭氧交互作用对高血压大鼠的影响。应用人工气候环境暴露仓(Shanghai-METAS)模拟石家庄市2017年7月7日1时~10日23时实际气温和臭氧污染。将健康大鼠和高血压大鼠各自分为对照组和实验组(高温热浪与臭氧协同暴露组),每组各6只大鼠。将实验组放入暴露仓内,进行高温热浪与臭氧协同暴露,3 d后取出,采用腹主动脉终末采血。测量各组大鼠血浆中生化指标的含量,包括炎性因子[白介素-6(IL-6)、C-反应蛋白(CRP)、可溶性细胞间粘附因子-1(sICAM-1)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)]、血管舒缩因子[内皮素1(ET-1)、血管紧张素-Ⅱ(Ang-Ⅱ)、NO]、心血管危险因素[低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)、甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)]、氧化应激和血栓形成因子[丙二醇(MDA)、总超氧化物歧化酶(SOD)、纤溶酶原激活物抑制因子1(PAI-1)、D-二聚体(D2D)]。经高温热浪与臭氧协同暴露后健康大鼠和高血压大鼠肛温、血压升高,而心率降低。高血压大鼠和健康大鼠体内的IL-6、CRP、sICAM-1、TNF-α含量升高。高血压大鼠和健康大鼠的ET-1、Ang-Ⅱ、NO含量升高。高血压大鼠和健康大鼠LDL-C、TG、TC升高,而HDL-C降低。高血压大鼠和健康大鼠MDA、PAI-1、D2D含量升高,SOD降低。高血压大鼠在高温热浪与臭氧的协同暴露过程中更易受高温热浪与臭氧的影响。     

矿山爆破地震波的测试分析

通过对某矿山爆破地震波形图的分析,说明了在减震爆破工作中,分段时间选择的重要性,并总结出影响爆破地震波传播的诸多因素,如选择分段时间不当,不但达不到减震效果,反而使振动能量叠加,形成大的波峰值.     

斜坡堤加糙插砌条石护面消浪效果试验研究

试验研究了加糙斜坡堤插砌条石护面的消浪特性及波浪爬高。考虑了斜坡提坡度、相对水深、波坦、平面与立面加糙率等因素对波浪爬高衰减系数ＫＲ的影响。试验获得了各种因素间的相关曲线,其中以平面加糙率对波浪爬高衰减系数影响较为明显。通过理论和试验结果分析,提出了计算加糙斜坡堤波浪爬高的计算公式。     

平行电流条件下等离子低频波动的特征

利用 MHD 理论研究了在与背景磁场方向平行的电流条件下低频等离子体波动传播情况,讨论了电流的相对强度对波动色散关系的改变。并着重指出了长波传播过程中产生平行电流不稳定性的特点。     

近岸港口风暴潮与台风浪相互作用的数值模拟

为了模拟近岸港口风暴潮与台风浪的相互作用,利用ECOMSED和SWAN,采用嵌套方法,使用海图水深数据、Holland台风模型气压场,选择具有代表性的200808号台风为天气背景,规划4组数值试验,通过单向耦合研究该港区及邻近海域的台风浪和风暴潮水位相互影响。使用ECOMSED模式,按是否考虑波浪作用分别计算苏澳港风暴潮水位。对比结果表明,考虑海浪影响的风应力以后,风暴潮水位更加接近实测值,海浪通过风应力对苏澳港风暴潮位有全局性的调制作用,苏澳港内聚集更多的海水,内外的水位高度差加大,海平面更加倾斜。使用SWAN模式,按是否考虑风暴潮位影响分别计算了苏澳港的台风浪,试验结果表明,波高受风暴潮位的影响是局部的,靠近岸边的有效波高有所增大,增大的幅度约1m,而水位较深的地方有效波高变化不明显。     

孔板通气气液两相流动特性研究

采用实验与数值模拟相结合的方法研究了孔板通气气液两相流动特性和气层形成机理.应用高速录像观察了通气气液两相流流动形态,采用Level Set方法和RNG k-ε湍流模型对通气平板流场进行了数值计算.结果表明气层覆盖区域压力是判定气层形成的重要参数:泡间高压消失表明当地的气泡开始形成气层,当气层基本形成时,壁面压力趋于一致.旋涡结构在气层形成不同阶段具有明显的特征,在气层初始形成位置前后,肾形涡由于气泡接触相互作用而逐渐消失;在气层完全形成位置前后,旋涡结构重新生成.随着孔间距的增加,气层形成位置由于横向距离增加而向下游移动,但相互作用区域变化不大.      

风浪与涌浪相互影响的实验

大自然的海浪往往是风浪与涌浪混合在一起,为此研究了实验室的风浪水槽中模拟风浪与涌浪的相互影响,用脉动风模拟风浪及风与浪的耦合作用,用造波机产生不规则波模拟周期相对较长的涌浪．通过单独风浪、单独涌浪、先风浪后涌浪和先涌浪后风浪4种情况的模拟,从波谱的角度分析风浪与涌浪相互影响的规律．发现影响风能输入的主要因素是波浪是否充分发展,而与波陡、风速、波速等没有直接关系,为风浪对海上建筑物的耦合作用研究提供了依据．