跨海桥梁工程的水动力学基础问题研究项目摘要

我国各种大型海岸与近海工程开发计划正拉开序幕，这些大规模开发计划中，跨海桥梁往往是其中的一个重要组成部分。在近海或海湾环境中修筑跨海桥梁面临许多新的课题，如桥墩及桥台的局部冲刷及对策、海洋环境中桥墩施工过程的安全性评估等问题。开展与桥位优化设计与桥梁施工过程优化相关的水动力学基本问题研究不仅对丰富水动力学研究具有重要的学术价值，而且对指导跨海大桥桥墩等典型结构物的设计与施工、确保这类重大工程的安全，具有重要的实际意义。本项目以研究波浪、潮流作用下桥墩的局部冲刷和桥墩施工过程的水动力载荷为核心，解决与跨海桥梁施工与运行安全性密切相关的水动力学基本问题。发展新的数值模型与实验技术，将在结构物的局部三维复杂流场、泥沙运动与冲刷过程、三维数值波浪港池及波流作用力方面取得突破。本成果将为建立一套集实验测量数据库、数值模拟于一体的海洋环境中桥墩局部冲刷、波浪- - -水流作用力计算软件包打下科学基础。 2100433B

地下水动力学中主要运用解析法、物理模拟法与数值模拟法来进行问题的研究。

地下水动力学解析法

解析法是指用解析方法求解由地下水动力学问题转化成的数学表达式或方程（包括常、偏微分方程等）。这种方法较为清晰明了，实施起来较为简便，但解析法只能解决简单的渗流问题（受到方程解析法求解的限制），较为复杂的地下水动力学问题必须采用后两种方法解决。

地下水动力学物理模拟法

对于实际的、较为复杂的地下水动力学问题，可采用物理模拟法研究。物理模拟法是指用相似模型再现地下水流动动态和过程的试验方法，它不仅能够模拟解析法难以求解的复杂问题，而且在检验基本理论和需要观察流动过程中可能出现的一些物理现象（如管涌现象与弥散现象）时，更离不开物理模拟法。但由于物理模拟法所固有的一些局限性，目前解决实际的水文地质问题中，物理模拟法已经基本被数值模拟法所取代。

地下水动力学数值模拟法

对于一个描述实际地下水系统的数学模型来说，一般其解析解是难以被找到的。数值法是指用数值方法求得解析法一般不能或不易求解的方程的解，这种求解方法一般需要借助于计算机，求得的是精度可变的近似解。

解地下水问题的数值方法有很多种，但最通用的方法为有限差分法（FDM）与有限元法（FEM）。

《绳索动力学基础研究》共5章。第1章介绍绳索的种类与结构，重点介绍钢丝绳和纤维绳的基本特点、分类及其在渔业、纺织业、航天等行业中的应用。第2章介绍绳索本构力学问题和绳索运动行为引起的动力学问题，对绳索内部接触摩擦、拉伸和弯曲过程中的迟滞特性，以及时变的几何运动特性展开讨论。第3章系统总结由连续介质力学理论发展而来的绳索建模方法，通过柔性绳摆算例对比分析集中质量参数伪刚体建模方法、小变形有限元方法，以及大变形绝对节点坐标方法的建模精度与效率。第4章根据编制或捻制多股绳的几何构型，对绳索内部接触、摩擦及碰撞进行描述，建立拧绞绳等效模型和纤维绳松弛模型。第5章介绍一种自适应ANCF方法，通过自适应更新单元的分布或类型来提高绳索动力学计算的精度和效率。

本书主要介绍船舶与海洋工程水动力学相关基础理论知识、计算方法以及试验研究方法，旨在为本专业学生提供一本水动力学入门教材，全面系统地掌握相关知识。