波浪作用下铰接式层合浮体的水弹性响应研究

方  辉，陈宇馨，郑文言，李爱军，刘  勇

（中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100）

摘  要：在工程设计中，通常采用模块化方式制造超大型浮式结构物，将巨大的单体结构分割成多个较小模块，后期通过合适的连接器拼装形成。为了明确多模块超大浮体在波浪作用下的水弹性响应，以两个相邻层合浮体（高刚度面板和低密度芯材）为研究对象，建立波浪作用下铰接层合浮体水弹性响应的高阶势流模型。采用匹配特征函数展开法求解流体运动的速度势，探讨了铰接处弹簧刚度对浮体的反射系数、透射系数、挠度、弯矩和剪力的影响规律。研究结果表明：迎浪侧浮体的存在可以有效降低背浪侧浮体的挠度、弯矩和剪力幅值；与垂直弹簧相比，扭转弹簧刚度的增加可以更加有效抑制铰接层合浮体的水弹性响应；当扭转弹簧刚度大于一定值时，继续增大弹簧刚度对浮体的动力响应不产生影响。

关键词：层合浮体；柔性铰接；势流理论；水弹性响应；弹簧刚度

导管架圆管风致涡激振动对总体疲劳性能的影响

胡文韬1，刘利琴1，罗  超2，余勇军1

（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

摘  要：研究了在建阶段导管架圆管发生风致涡激振动对整体疲劳性能的影响。建立了圆管动力学模型，分析了圆管的动力学特性；固定系数取值0. 7模拟实际工程中圆管两端的焊接约束形式，计算了圆管的振动响应；基于线性累积损伤准则和S-N曲线计算了圆管发生风致涡激振动的疲劳损伤度，并根据规范计算出圆管在位阶段的疲劳损伤度，对比总结风致涡激振动对总体疲劳性能的影响以及振动抑制措施对疲劳性能的改善。研究表明，在建阶段导管架圆管发生风致涡激振动会明显地影响圆管的疲劳特性，降低疲劳寿命，因此可以通过绑定绳索、安装防振锤等手段减少结构的疲劳损伤。

关键词：深水导管架；风致涡激振动；防振锤；疲劳寿命

船舶碰撞中空夹层钢管混凝土导管架平台损伤分析

商文翰1，张纪刚1，吴书义2，刘菲菲1，陈文礼3，赵  阳4

（1. 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266520；2. 青建集团股份公司，山东 青岛 266071；3. 哈尔滨工业大学 土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090；4. 青岛国工高新材料有限公司，山东 青岛 266000）

摘  要：针对船舶与中空夹层钢管混凝土（CFDST）导管架平台碰撞问题，利用ABAQUS/Explicit非线性有限元软件建立中空夹层钢管混凝土导管腿导管架数值模型，对船舶碰撞进行数值模拟，对比分析1 m/s、2 m/s和3 m/s碰撞速度下3种工况下导管架抗碰撞性能、耗能及损伤。从碰撞力、碰撞区域变形以及导管架能量耗散等方面详细研究中空夹层钢管混凝土导管腿作用下导管架整体的损伤模式和动力响应。结果表明：CFDST导管架在船舶碰撞荷载作用下主要由CFDST导管腿耗能，有效控制了结构整体位移变形，提升了整体刚度，有效发挥平台各构件之间组合耗能，结构抗碰撞能力得到明显提升。

关键词：船舶碰撞；中空夹层钢管混凝土；导管架平台；结构损伤

基于遗传算法的缓波型立管多目标集成优化

余  杨1，2，刘  成1，2，余建星1，2，赵明仁1，2，李振眠1，2

（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学 天津市港口与海洋工程重点实验室，天津 300072）

摘  要：缓波型立管由于设计参数较多且优化目标之间相互影响，设计结果具有很大的不确定性。随着代理模型和智能优化算法的发展，针对缓波型立管的优化可以提出更好的解决方案。以提高力学性能和经济效益为优化目标，采用基于Kriging插值模型和NSGA-II算法的多目标优化策略，对考虑顶部浮体影响的深水缓波型立管进行动力响应分析，并开展线型—截面双目标优化集成设计和线型—浮筒三目标优化集成设计。将处于不同几何尺度的设计变量进行集成，旨在各目标存在相互竞争的情况下，与截面、浮筒设计形成有效互动以提高线型设计的总体性能。结果表明，Pareto最优解集可提供多个选择方案，以满足工程实际需要。将所选最优方案与初始设计进行对比，并以疲劳性能和成本估算作为优化的校核指标，取得了理想的优化效果。

关键词：缓波型立管；遗传算法；代理模型；动力响应；多目标优化；集成设计

管道结构垂向—侧向耦合管土作用机理性试验研究

李自强1，2，袁昱超1，2，唐文勇1，2，薛鸿祥1，2

（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240；2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

摘  要：钢制悬链线式立管的触地段与海床会发生频繁的相互作用，对管道的安全性影响很大。首先探索干土环境下管土作用的机理有助于更好地理解真实海况下管道—湿土作用规律。试验测试是研究管土作用最可信最直接的手段。进行了垂向及侧向管土作用机理性试验，根据土体抗剪强度验证了试验中相互作用机理与管道尺寸的无关性。研究了不同运动速度对土体反力的影响，发现运动速度对垂向及侧向管土作用均存在一定的放大效应，而垂向低速工况下放大效应不明显；接着分别研究了垂向与侧向管土作用的规律，分析了土体反力变化的成因，最后针对管土垂向—侧向的耦合效应进行研究，发现不同的垂向深度会极大地影响侧向管土作用。为后续的管道—含水土体相互作用试验奠定基础，也可为陆上管土作用相关研究提供参考与建议。

关键词：管土作用；土体抗剪强度；垂向—侧向耦合；速度放大效应；试验研究

轴线倾斜海底管道冲刷速率试验研究

张凯兵1，娄晓帆1，2，王菲菲1

（1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2. 清华珠三角研究院 水生态与智慧水利技术研发中心，广东 广州 510530）

摘  要：通过物理模型试验研究水流作用下轴线倾斜海底管道的三维局部冲刷问题。利用超声波探头监测管道下部冲刷沿管轴线方向的扩展过程，分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理。由模型沙的冲蚀试验，建立沙床面剪切应力与泥沙表观侵蚀速率之间的关系式，并引入经验公式对沙床面剪切应力放大系数、泥沙表观侵蚀速率以及远场床面剪切应力之间的关系进行表达。由倾斜管道模型试验，在分析冲刷扩展位置随时间变化数据的基础上，结合上述经验公式以及沙床面剪切应力放大系数与管道埋深的关系，建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。

关键词：倾斜管道；局部冲刷；冲刷速率；模型试验；剪切应力放大系数；管道埋深

基于CFD-DEM方法对海底管道床面冲刷的深入研究

李  冬，李树澍，林建国，汪逢港

（大连海事大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026）

摘  要：采用计算流体力学—离散元耦合方法（CFD-DEM）模拟海底管道床面的冲刷过程。经过模型验证，该方法的计算结果与前人的研究具有较好的一致性，证明其可以应用于海底管道周围的冲刷模拟计算。冲刷初期的结果增强了目前对启动阶段粒子运动机理的理解，即管前后压力梯度造成的渗流作用导致粒子运动。对完整冲刷过程的模拟中，发现冲刷分为冲刷启动阶段、间隙冲刷阶段和尾迹冲刷阶段。间隙冲刷阶段管道下方粒子具有较大速度，冲刷坑快速向下方发展。进入尾迹冲刷阶段后，管道后方出现周期性脱落的涡旋，沙丘上的粒子速度更大。同时利用DEM更具直观性的独特优势，首次得到了14个典型位置处颗粒的运动轨迹和运动速度，对于理解冲刷过程中粒子的运动情况具有较大帮助。

关键词：CFD-DEM；颗粒运动；冲刷；颗粒轨迹；海底管道

带前缘结节叶片导管桨尾流不稳定性分析

张习迪1，曹留帅1，万德成1，2

（1. 上海交通大学 船海计算水动力学研究中心（CMHL） 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2. 浙江大学 海洋学院， 浙江 舟山 316021）

摘  要：导管桨的尾流不稳定性在其性能评价中非常重要，不但是其能否提供稳定推力的保证，而且也与螺旋桨的尾流噪声直接相关。为了改善导管桨的尾流，提高尾流稳定性，并优化导管桨的流场脉动，根据座头鲸鳍肢前缘结节的仿生原理，对导管桨叶片的导边进行改进，提出了两种仿生桨型，采用IDDES湍流模型对低进速系数下常规导管桨和仿生叶片导管桨进行数值模拟，探究叶片构型对导管桨性能和尾流不稳定性的影响。计算结果表明，前缘结节可以有效降低叶片受力波动的幅值和叶片所受合力的主频域峰值，具有较大结节的叶片对导管桨尾流有明显的优化作用，在尾流远场中扩大了流动稳定区，延后了尾流处涡破碎的发生，改善了能量谱密度的频域分布。进一步，大前缘结节叶片导管桨应用在低速工况下时，可以大量减少尾流泄涡区域的二次涡产生，这是由于前缘结节提升了相邻涡互感的强度，使得尾流更加稳定，而小结节叶片仿生桨型对导管桨尾流则无明显优化作用。研究方法和成果可为螺旋桨尤其是导管桨尾流不稳定性研究提供参考，不仅验证了前缘结节在导管桨叶片应用的合理性，而且揭示了其优化尾流稳定性的机理。

关键词：导管桨；尾流不稳定性；仿生叶片；IDDES；能量谱密度

基于改进量子粒子群算法的AUV路径规划研究

张瀚彬1，史先鹏1，2，刘喜梅1

（1. 青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 266100；2. 国家深海基地管理中心，山东 青岛266237）

摘  要：针对海洋环境下自主水下机器人（AUV）的路径规划问题，提出了一种基于框架四叉树的改进量子粒子群算法（QPSO），首先使用框架四叉树的方法对障碍物建模，该方法提高了建模的精度且对后续算法的效率也有极大的改进，之后设计改进的量子粒子群算法，并且结合水下环境的特殊性设计适应度函数，综合考虑航线路径长度、偏转角度以及海流影响，使得算法可以在水下环境中寻得能耗最短的解路径。最后通过仿真试验验证，相比于传统的栅格法和粒子群算法，本文所使用的方法运算时间更短，收敛速度更快，其独特的适应度函数可以使AUV能更好适应水下多变的环境，且能利用海流设计能耗更小的路径，具有很大的实用价值。

关键词：自主水下机器人；量子粒子群算法；路径规划；海流

基于RANS方程的桩式U-OWC装置波浪荷载分析

姚  宇1，2，张壮壮1，许从昊1，2

（1. 长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；2. 水沙科学与水灾害防止湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114）

摘  要：使用OpenFOAM建立基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型的三维数值水槽，对桩式U-OWC装置在不同周期和波高的正向入射规则波作用下的受力情况进行分析。首先将数模结果与物理试验结果进行对比验证校核，然后通过数值模拟对装置的受力情况进行了分析，分别研究了作用在装置上作用力和倾覆力矩特点，装置上作用力和倾覆力矩随周期和波高的变化情况，以及装置稳定性极小状态。研究表明，装置所受到波向力、垂向力相比侧向力数值较大，对倾覆力矩起决定性作用。对装置上作用力和倾覆力矩进行无量纲分析，进一步发现在测试工况范围内，装置所受到的3个方向作用力中侧向力随周期变化不明显，明确了装置前的波浪爬高对装置波浪荷载和力矩的影响，并针对U-OWC模型特点和具体工况应用一个波浪爬高经验公式，获得了较好效果。

关键词：桩式U-OWC；波浪荷载；倾覆力矩；规则波；无量纲分析

北部湾防城港东湾白骨壤潮滩近底层动力响应台风作用的耗散过程

黄祖明1，戴志军1，周晓妍1，龙楚琪1，冯炳斌2，罗杰骏1，喜扬洋1，3

（1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2. 自然资源部第四海洋研究所，广西 北海 536015；3. 广西科学院 广西北部湾海洋研究中心，广西 南宁 530007）

摘  要：揭示极端天气影响的红树林潮滩潮流能量耗散过程是理解生物海岸演变及滨海湿地生态修复工程的核心内容。以北部湾防城港东湾白骨壤红树林潮滩为例，基于声学多普勒流速仪（ADV）获取区域2020年8月连续6天的水动力和白骨壤红树林下垫面植被实测数据，分析白骨壤潮滩近底层动力响应台风“森拉克”的耗散过程。结果表明：1）正常天气涨、落潮期间，自光滩到白骨壤红树林林内近底层湍流动能变化具有潮汐不对称性特征。涨潮期间光滩—白骨壤红树林边缘、白骨壤红树林边缘—林内潮流挟沙能量分别通过泥沙沉降以及搬运泥沙两种方式沿程消耗，落潮期间潮流挟沙能量主要以泥沙净沉降的方式消耗。2）白骨壤通过其潮滩表层向上发育长约10 cm的呼吸根以降低湍流垂向紊动；红树林边缘的枝、叶通过影响水平方向上的水流动力，致使潮流挟沙能耗降低。3）与正常天气比较，台风“森拉克”期间东湾自光滩到白骨壤红树林林内近底层水体流速无明显变化，但流向偏转幅度明显变大。同时湍流动能的耗散率和用以搬运泥沙为主的潮流挟沙能耗亦均增大。

关键词：近底层动力；湍流动能；潮流挟沙能耗；白骨壤；台风“森拉克”

波浪作用下方块石护面稳定性研究

琚烈红1，乔光全2，黄  哲1，杨  氾1，麦权想3

（1. 南京水利科学研究院 河流海岸研究所，江苏 南京 210024；2. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230； 3. 港珠澳大桥管理局，广东 珠海 519060）

摘  要：护面是海堤和护岸的重要结构，直接抵御波浪作用，可采用人工块体、块石等，种类繁多。采用紧密排列方块石作为护面结构是一种景观性较好的型式，依据方块石厚度不同能抵御不同大小的波浪作用。干砌条石及干砌块石护面曾有一些规范给出过计算方法，但现行规范没有相关内容可供设计参考，已有计算方法的理论分析还存在不足。当波浪在斜坡堤相互作用时，方块石护面出现位移或脱落可能发生在波浪回落最低阶段、波浪破碎打击阶段及破后爬高水流作用阶段，通过研究得到了不同阶段波浪对方块石护面作用力的计算方法。在波浪回落最低阶段，考虑了护面及其下方垫层渗透性影响，通过理论分析建立了低渗透护面浮托压强计算模型，采用物模试验将计算结果与试验测量值进行了对比分析，结果表明总体趋势符合，量值接近；在波浪破碎冲击阶段，基于射流冲击作用原理，提出了波浪在斜坡面破碎冲击压强计算方法，通过试验分析了波浪破碎水深波高比与破波相似参数的关系，利用浅水波理论计算了波浪破碎冲击水流流速；在爬高水流作用阶段，提出了水流引起的方块石护面垂直浮托力及水平拖曳力的计算方法，通过试验结果拟合了浮托力系数和拖曳力系数，验证了水流作用下护面的受力特征。最后，针对方块石护面实际工程应用，采用该方法对不同阶段的波浪作用压强进行了计算，分析了稳定性；该实际工程的物模试验表明，方块石护面在波浪作用下试验现象与稳定性计算分析定性结论符合。文中提出有关方块石护面稳定性的计算方法可供类似工程参考。

关键词：波浪；方块石护面；压强；稳定性

基于OpenFOAM的潜堤―双弧板组合结构水动力特性数值研究

于  珍，李雪艳，程  志，孟钰婕

（鲁东大学 海岸研究所 山东省海上航天装备技术创新中心，山东 烟台 264025）

摘  要：鉴于双弧板式透空堤的消浪性能仍不理想，提出了一种潜堤—双弧板组合结构，并基于OpenFOAM软件建立了波浪与该结构相互作用的数值模型，采用试验结果对所建数值模型进行验证。在此基础上，讨论了该新型结构的消浪特性、波压力分布特征以及所受波浪力的影响因素。结果表明，透射系数随相对板宽的增大而减小，反射系数则相反。透射与反射系数随相对潜深的变化较为显著。当结构位于静水位上方（即相对潜深为−0. 05）时，透射系数最小而反射系数最大；当结构位于静水位下方（即相对潜深为0. 05）时，透射系数最大而反射系数最小。该组合结构两块弧板上下表面的正负压力变化关于横轴近似对称，不同测点处的压力值差异显著。水平波浪力与垂直波浪力的变化趋势大致相似，但垂直波浪力远大于水平波浪力。研究结果可为其工程应用提供理论指导与技术支撑。

关键词：潜堤—双弧板组合结构；消浪特性；受力特性；OpenFOAM

空间节省型堰式沉箱波浪反射与结构优化试验研究

胡馨月1，李  超2，梁书秀1，薛庆仁1，刘华政1，张家硕1

（1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

摘  要：为了同时提升消浪效果和节省海岸空间，对低反射防波堤进行改进，提出了一种空间节省型堰式沉箱结构。通过物理模型试验研究了堰式沉箱在规则波作用下的消能机理，然后采用单因子分析法分析了相对淹没深度、波陡和相对波高对反射系数的影响，并且利用SPSS软件对无因次参数进行非线性回归分析得到了反射系数计算公式。结果表明，内堰消浪室可以形成良好的波能耗散机制，随着有效消浪室个数的增多，消浪效果逐渐增强，使得反射系数的最小值和最大值较非透空直立结构分别降低了60%~90%和10%~30%。基于以上研究成果，给出关于特征水位与内堰的相对位置关系的合理建议，并总结了堰式沉箱结构的优化设计要点，对实际工程应用具有一定的指导意义。

关键词：空间节省型；堰式沉箱结构；消浪效果；反射系数；优化设计

深水工况下弧面胸墙沉箱堤的反射形态分析

任丽婷1，蒋学炼1，2，赵  悦3，郄禄文4，刘俊涛2

（1. 天津城建大学 天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384；2. 天津水运工程勘察设计院有限公司，天津 300456；3. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029；4. 河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002）

摘  要：为推广应用新型弧面胸墙沉箱堤，结合模型试验和数值模拟对比分析了深水工况下弧面胸墙沉箱堤和削角胸墙沉箱堤的反射形态。波面和波压的数值结果与试验数据吻合良好，验证了数值方法的有效性。反射系数表明，入射波浪在与弧面胸墙沉箱堤相互作用过程中的能量损耗最小，其反射强于削角胸墙沉箱堤。波面和流速包络图显示，两种堤型均在堤前形成了部分立波系统，腹点和节点以四分之一波长的距离增量交替出现，胸墙和直立部分产生的反射波存在相位差，导致初始腹点的位置向海侧偏移。弧面胸墙沉箱堤前叠合波的相位差影响最小，腹点包络高度最大，节点包络高度最小，反射效应最明显。两种堤型前中下层水流的周期平均速度均较小且对称，表明底床泥沙不会产生趋势性输移，但迎浪基床上方的环流系统可能引起局部冲刷。相对而言，弧面胸墙沉箱堤前的环流强度最弱，更有利于冲刷防护。

关键词：弧面胸墙沉箱堤；削角胸墙沉箱堤；RANS-VOF模型；反射形态；周期平均速度场

一种起伏板防波堤最优支撑刚度计算方法

王  塑1，赵西增1，2

（1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021；2. 浙江海洋大学 海洋工程装备学院，浙江 舟山 316022）

摘  要：带有弹簧支撑的水平板结构，可在波浪作用下起伏运动进行消浪，作为防波堤具有广泛的应用前景，但如何设计支撑刚度仍是当前研究的重点课题。基于黏性流理论建立数值波浪水槽，开展规则波与起伏板防波堤相互作用的模拟，得到起伏板透反射系数随支撑刚度的变化曲线，并分析最小透射系数对应刚度下起伏板运动相位对消浪的影响。为快速得到最小透射系数对应的支撑刚度，根据弹簧—阻尼—质量模型，建立一种以运动相位为输入反推起伏板最优支撑刚度的计算方法，并将推导结果与数值结果进行比较。结果表明，该方法推导的最优支撑刚度值与数值最优值接近，且可省去遍历取最优值的步骤，可为起伏板防波堤的支撑刚度设计提供参考。

关键词：起伏板；防波堤；黏性流；受迫振动；数值模拟

涌潮水沙动力过程现场观测研究进展

潘冬子1，李  颖2，潘存鸿1

（1. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2. 浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

摘  要：涌潮是潮波传播过程中产生的一种自然现象，是潮波非线性畸变的结果。涌潮有波状和破碎形态之分，波状涌潮是一系列平行向前传播的涌波构成的波列，破碎涌潮则是前锋陡立向前推进的水滚。基于国内外涌潮水沙动力过程现场观测的主要成果，从形成机理出发，归纳涌潮生成的必要条件，剖析潮波运动非线性和摩擦效应对涌潮生成的影响；针对典型的波状和破碎涌潮，总结潮头的自由表面特征参数、流动结构和传播演化特征；回顾涌潮局部湍流和混合过程、泥沙输运和沉积的研究进展，评述涌潮脉冲过程对河口生态环境的影响。涌潮的周期性传播引起自然系统的大规模混合，对潮汐河口区域的生态环境平衡具有重要意义。涌潮现象的研究推动潮汐学的发展，现场观测是涌潮研究的基础。随着仪器设备和分析手段的进步，涌潮多尺度生成与演化机制、涌潮多物理过程耦合作用机理和涌潮脉冲过程的生态效应定量评价是今后需要深入研究的问题。

关键词：潮汐河口；涌潮；水动力；泥沙输运；沉积过程；生态效应