爆炸波与地下结构物相互作用的动光弹性探讨

本文用动态光弹性探讨了地表爆炸产生的应力波与地下结构物相互作用的机理,根据等差条纹分布分析了P波、S波、von Schmidt波及R波与结构物基础的相互作用过程。研究表明R波是对地下结构物危害最大的波。可以采取防护措施来反射和消耗R波的能量。     

波流相互作用研究进展

波流相互作用是非线性科学的前沿课题,并具有重要工程意义,本文概述了波浪在水流中的变形、波流相互作用对流场的影响、波和流与结构物的相互作用以及波流边界层等方面已取得的主要成就．      

第1届印度海洋工程会议

会议于1981年_2月18—20日在印度工学院举行,内容有:1,波、流、环境载荷及流体-结构物相互作用;,2.海洋结构物的分析和设计;3.海洋土力学;4.近海结构物韵施工、拖航、下水和安装;5.海洋环境中材料的性能源;6.海洋能源;7.水下装置和通信;8.海洋污染。会后出版了会议文集两卷。      

波流与结构物相互作用的数值模拟

采用高阶边界元法建立波流与任意形状结构物相互作用的时域数学模型。在小流速假设下,将速度势进行摄动展开,边界条件分解为双物体假设下的零阶波陡稳定问题和一阶波陡下的不稳定波浪问题。物面速度势及自由水面速度势的法向导数等未知量通过求解高阶边界元积分方程得到,而积分方程的求解则通过一个数值程序来实现。在每个时间步上采用四阶Runge-Kutta法更新下一时刻自由水面波面和速度势,自由水面上采用人工阻尼层消除散射波。通过波流与直立圆柱相互作用的数值计算研究了一阶激振力和二阶慢漂力随波数的变化关系以及圆柱周围波幅的分布曲线,并与已有频域结果和时域结果对比验证了所建模型的准确性,进而应用本文模型研究了波流与实际工程结构物相互作用的问题。     

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡,了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提.基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽,模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭,并采用修正的VOF方法捕捉自由液面,数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程,重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性.结果表明,建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程,较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程;波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流,其运动过程十分复杂;掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在,其中,气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关,且其输运轨迹主要受周围流场的影响;研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系,发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.     

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡, 了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提. 基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽, 模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭, 并采用修正的VOF 方法捕捉自由液面, 数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程, 重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性. 结果表明, 建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程, 较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程; 波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流, 其运动过程十分复杂; 掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在, 其中, 气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关, 且其输运轨迹主要受周围流场的影响; 研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系, 发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.      

孤立波与多孔介质结构物的非线性相互作用

基于精确至Ｏ（εμ＾２,μ＾４）的多孔介质无压渗流模型方程和均匀流体质波动的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程,本文对孤立波与多孔介质结构物的相互作用了较系统的数值实验。控制方程采用基于有限差分方程离散,在时域上采用了预估－校正方法进行了时间积分。在求解演化方程的过程中,引入“内迭代”过程实现流体域和多孔介质交界面的连接条件。结果表明孤立波在多孔介质上的反射与在不可渗透的界面上的反射类似,形成反向的孤立波但     

地质断层对地下结构震塌影响机理的动光弹试验研究

用动态光弹性试验模拟研究了地质断层对应力波的影响及相互作用,比较分析了冲击荷载作用下水平和30方向的裂缝的动态响应,得到指定点处的条纹级数 时间关系曲线图和应力 时间关系曲线图,研究了结构物顶部震塌的机理,试验结论可为防护结构的改进提供参考。     

应力波与带软衬垫的地下结构动力相互作用

本文应用有限元法分析了应力波与带软衬垫的地下结构动力相互作用问题。软衬垫假定为弹塑性并用Mises屈服准则描述,而且考虑其几何非线性的影响。结构与介质按弹性考虑。文中给出了有限元计算所涉及的几何与物理非线性问题的一般基本公式。计算和分析了应力波通过软衬垫后结构运动特性。并与相同条件下未加软衬垫的地下结构进行了对比,从中得出了软衬垫的几何非线性、物理力学参数以及几何尺寸等因素对结构运动的影响规律。文中还对大、小应变理论的应用界限进行了讨论。     

基于沿程坐标积分模式颗粒流与结构物阵列相互作用的数值模拟

近年来, 由颗粒物质流动主导的泥石流、滑坡等自然灾害评估及其防护工作越来越受到人们的关注. 本文基于沿程坐标积分模式建立了陡峭地形条件结构物作用下颗粒流运动的数值模型, 可以较为准确地表征陡峭地形情形结构物影响下颗粒流的流态特征和运动过程, 尤其是相互作用过程中激波结构的形成与演化, 颗粒流的反射、绕射和爬升等动力效应. 通过数值模拟研究了颗粒流与不同分布密度四面体结构物阵列相互作用时的流态演化与堆积形貌, 提出了新型偏转效率无量纲指标, 结合流通效率, 定量评估了四面体结构物阵列对颗粒流流通距离和侧向铺展特征的影响. 结果表明, 单个四面体结构物对颗粒流的作用包括耗散作用和偏转作用两种模式, 其中偏转作用尤为显著; 结构物阵列对颗粒流产生综合的耗散和偏转作用, 通过多级作用形成系列的弓形激波耗散颗粒流能量, 通过偏转作用分隔和改变颗粒流路径, 增强耗散作用, 调控堆积形态, 可望对下游地区产生显著的防护效果.      

隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

为了研究隧道表面爆破地震波的产生机制及传播规律,提出了隧道表面爆破振动平面应变理论模型,得到了隧道表面爆破振动场积分形式解;以龙南隧道爆破工程为背景,建立了有限元数值模型,通过现场测试验证了数值模拟与理论解答的准确性;提出了基于高分辨率Radon变换的隧道爆破地震波波场分离方法,结合理论解析与数值模拟得到了P波、S波、R波的传播特征,最后综合理论结果与波场分离结果提出了隧道爆破地震波作用分区。结果表明：隧道爆破产生P波、S波,R波在自由面迅速发育,3类波呈现指数衰减特征,S波衰减快于P波快于R波。随着爆心距的增大,垂直方向主要成分由S波转变为R波,水平方向主要成分由S波转变为P波,P波转变为R波。Ⅳ级围岩工况下,隧道爆破地震波作用分区为：隧道轴向距掌子面0～6.44 m为爆破近区,主导波型为水平S波;6.44～21.23 m为爆破中区,主导波型为水平P波;21.23 m外为爆破远区,主导波型为垂直R波。爆破分区分界点与单段最大药量呈线性关系,可通过爆破药量得到隧道爆破分区位置,用于隧道安全稳定性分析。     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物,浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定,发生复杂的耦合作用.为准确模拟多液舱浮式结构物的运动,本文引入一种有效的时域解耦算法.该方法以模态分解法为基础,通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解,最终形成时域解耦运动方程,无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度.该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足,减少解耦过程的计算耗时.本文进一步结合边界元数值方法,分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究.通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比,验证了本文时域解耦算法的有效性.本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响,发现存在一个共振影响区间:当外场波浪频率在该区间之外时,可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动;在比该区间更低频的波况下,液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消,此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动;在比该区间更高频的波况下,液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位,此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动.本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况,发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响,但对垂荡运动影响很小.     

基于修正光滑粒子流体动力学算法的低能量耗散数值波浪水池开发

目前, 无网格光滑粒子流体动力学SPH粒子法在波浪与结构物相互作用研究方面得到广泛应用, 但该方法模拟波浪远距离传播时, 常常面临严重的能量耗散问题, 导致波高非物理性降低, 给大范围海域、长时间作用下的波-物耦合作用研究带来一定困难. 对此, 本文采用一种核函数修正算法, 在确保粒子间相互作用对称性的同时, 改进压力梯度离散项的计算精度, 设法解决SPH方法中能量非物理性耗散的难题. 相较于前人减缓能量非物理性衰减的方法, 本文的修正SPH算法避免了自由液面搜索等复杂处理过程, 并能保证动量守恒特性. 数值结果中, 采用振荡液滴、规则波、不规则波等算例, 验证本修正SPH算法的准确性和有效性. 结果表明, 该修正SPH算法能准确模拟振荡液滴形态变化, 且动能保持较好守恒性. 通过数值水池与物理水池两者规则波与不规则波结果的对比分析表明, 基于本文修正SPH算法建立的数值波浪水池具有较好的抗能量衰减效果, 能实现长时间、远距离波浪传播的准确模拟. 此外, 本算法能在低光滑长度系数条件下, 实现精确模拟, 将极大缩减三维SPH模拟的时间, 从而节约计算成本.      

硬岩中地下爆炸的自由场位移衰减规律

本文从两个方面叙述总结了硬岩中,地下爆炸引起的自由场的径向质点位移随爆心距的变化规律。其一是分析地下爆炸应力波经验规律结合方程式求解得到的地运动位移,有下规律:DM/W?=2.01(（1/100）(R/W?))?(DM为地运动位移峰值,W为爆炸当量,R为爆炸距,其二是用地运动位移传感器直接测到的地运动位移,可用DM/W?=2.1(（1/100）(R/W?))?表示地运动位移的变化规律。由这两种方法得到的位移结果的一致性较好。文中并对所得位移经验公式与国外报导的位移公式作了对比分析。     

爆炸波作用下地下防护结构与围岩的非线性动力相互作用分析

针对实际地下工程中普遍存在的材料非线性以及半无限介质域的处理问题,给出了基于时间有关基本解的时域边界元法与非线性动力有限元法的耦合方法,应用该耦合方法计算了一马蹄形截面地下防护结构与围岩受爆炸冲击波作用下非线性相互作用的时间历程,并与线弹性情况进行了比较分析。结果表明:本文的方法具有较高精度,真实地再现了波在弹性层中传播以及反射的全过程。     

爆轰波平掠惰性气体界面及其解耦现象的数值研究

采用基元化学反应模型和迎风TVD格式,数值研究了爆轰波平掠惰性气体界面时的物理现象及其作用机制,并用点隐方法克服化学反应源项引起的计算刚性。数值结果显示,当爆轰波平掠过惰性气体界面时,形成了爆轰波、界面、透射激波以及稀疏波相互作用的现象。在高N2比例稀释的可燃混合气体情况下,当爆轰波平掠过特定惰性气体界面时,它与惰性气体界面相互作用产生的稀疏波可以导致爆轰波的解耦。     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.      

海洋结构物摩擦学问题的研究进展

海洋结构物主要包括海上钻井平台、油气开采平台、FPSO、海底输油管线及海上大型储油罐等大型海上结构物.海洋结构物总是处于波浪、海流、风暴、海冰等严峻海洋环境中,并受到海生物污损、海洋腐蚀、磨损等多方面因素相互作用的影响,摩擦学问题无处不在.论文针对海洋平台结构、流体处理及运输设备、定位设备及作业设备四方面的摩擦学问题进行论述,主要介绍了海洋平台结构、管道系统及海水泵、锚链及螺旋桨、钻井套管及电潜泵等海工设备的工作特点,概述了国内外关于这类海工设备的摩擦学问题的研究现状,并对海洋结构物的摩擦学研究重点进行了展望.     

土—水下储油罐—可压缩流体相互作用体系地震响应分析

本文主要对地基土——钢筋混凝土水下储油罐——可压缩流体相互作用体系在地震荷载作用下的地震响应进行了分析。考虑了流体可压缩性对齐水面和潜水圆柱体结构物的动水压力的影响。在数值计算中,分析了自由表面重力波及流体可压缩性及考虑流体的可压缩性与不可压缩性对相互作用体系动水压力和地震响应的影响。     

基于分离式建模的砖石古塔动力性能与响应分析

为研究砖石古塔的动力特性及地震响应机制,以渭南慧照寺塔为对象,采用块体-灰浆分区离散方法,分别建立刚性地基条件与考虑地基-结构相互作用条件下古塔的数值模型,计算比较了塔体的动力特性;并分别按9度小震、中震和大震输入El-Centro波、Taft波和兰州人工波,计算了结构的位移和加速度反应,与相互作用系统进行比较。结果表明,考虑土-结构相互作用后,古塔结构的一阶自振频率降低5.7%,二阶频率降低45%;El-Centro波和Taft波作用下,位移和加速度响应显著增大,大震作用时,与不考虑土-结构相互作用对比,主拉应力峰值显著增加,古塔从灰浆开裂发展为砖与灰浆同时开裂;兰州人工波作用下,考虑土-结构相互作用后,主拉应力和结构开裂变形反而降低。研究结果可为古塔抗震计算与性能评估提供参考。