海洋环境预报分析模块

海洋环境预报分析模块具有如下功能：
        1）指定时间段内给定海域的三维海洋流场、温盐结构模拟
        2）指定时间段内给定海域的海底沙波运移模拟
        3）指定时间段内对给定区域有影响的台风统计，台风路径图绘制，最大风速等相关数据显示

详细功能说明

1. 指定时间段内给定海域的三维海洋流场、温盐结构模拟

   
   • 网格划分

   模块采用的计算网格为矩形网格，垂向采用sigma坐标形式。针对给定区域，用户可根据需要自行定制水平网格方案和垂向分层特征。其中水平网格可对某一局部水平子域进行加密，垂向分层可在海表或海底处加密。

   • 地形获取

   模块提供丰富的数据接口，可将各种地形数据导入模块，作为给定区域地形获取的依据，并生成所需网格输入文件，网格输入文件采用netcdf数据格式。

   • 潮汐调和常数、潮汐修正系数、温盐场、海表温盐边界、海表风应力数据的生成

   模块内置了生成侧、表面边界条件及温盐场所需的一系列公开数据（潮汐、温盐、海表温盐通量、风应力等），同时也提供数据接口将其他替代数据导入模块，作为生成预报所需要的输入文件提供依据。

   • 三维海洋流场、温盐场模拟及后处理

   用户可根据实际情况，设置模型的边界条件、模拟的时长、步长等参数，模拟过程中可随时停止。计算结果以netcdf格式保存，程序内嵌一系列后处理程序，可根据需要绘制水位、温盐等物理量的时程曲线、水平云图、水平矢量图、垂向剖面图等。

2. 指定时间段内给定海域的海底沙波运移模拟

   可通过模块界面中的“进入海底沙波运移预报子模块”按钮进入该子模块。
   
   • 参数设置和已知数据读入

   用户可根据实际情况，设置计算时长、步长和泥沙中值粒径等参数；读入计算所需要的初始地形数据和流场数据。

   • 计算或中断计算

   完成参数设置和已知数据读入后开始计算后，可在计算过程中的任意时刻中止计算。

   • 预报结果分析

   预报结果的分析包括以下几项：a）显示最终地形；b）显示计算前后波峰线位置对比；c）设置两个剖面位置，显示剖面地形的前后变化。

3. 指定时间段内对给定区域有影响的台风统计，台风路径图绘制，最大风速等相关数据显示

   可通过模块界面中的"进入区域台风统计分析子模块"按钮进入该子模块。
   
   • 时空范围设定

   用户可根据实际情况，指定时间范围和空间范围，点击“统计”按钮，程序将筛选出符合条件的所有台风，置于下拉列表中，同时显示该时段影响给定区域的台风最大风速的统计直方图。

   • 单次台风路径和信息显示

   从“选择台风标号”下拉列表中选择一项，程序将绘制该次台风路径、提供相应的台风中心位置、最大风速等信息。

模块特色

只需对区域和时间段进行较为简单的设置，便可得到相关区域的三维海洋流场、温盐场模拟结果。省去了手动建模、确定地形和开边界条件等大量繁重的前处理工作，节省时间，界面友好，实用性强。模块还可以预报沙波运移，对区域台风进行统计分析。

   

南海北部三维海洋流场模拟                                  海表施加6小时时间间隔的风应力场

      

随时间变化的海洋表层流场模拟                      某漩涡附近的温度剖面和声速剖面模拟结果

沙波阴影图                              沙脊左右侧不同方向的沙波运移及与实测对比

                

水位时程曲线模拟结果与实测结果比较                            时间平均的垂向流速剖面验证

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海管悬跨预报分析模块

海管悬跨预报分析模块具有如下功能：
        1）波峰、波谷与海管的相对位置分析，悬跨剖面预报
        2）海管浮重作用下的海床土体应力分布预测
        3）海管下方冲刷坑的三维形态计算
        4）局部冲刷的发展过程预报
        可对海管路由区内的沙波运移和局部冲刷导致的悬跨情况进行预报和分析。

详细功能说明

1. 前处理

   • 进行沙波致悬跨预报时，需载入沙波计算数据、海管路由数据，载入后显示计算域和路由的坐标范围
   • 进行冲刷致悬跨计算时，可载入现有海床土参数文件，也可对海床土物性参数自行定义
   • 模块对冲刷的计算中，用户可设置不同的海管结构参数和海况参数

2. 主体功能

   • 根据沙波计算数据和海管路由数据，分析出沿海管路由的沙波剖面
   • 冲刷致悬跨计算中，计算海管浮重作用下海床土内的附加应力大小
   • 根据修正的泥沙起动判据，计算海管下冲刷坑的发展历程和达到冲刷平衡时的三维尺寸参数

3. 后处理

   • 对于沙波致悬跨预报部分，将以展向剖面的形式显示所选区段海管的悬跨情况
   • 对于冲刷致悬跨预报部分，计算完成后，可显示海床土体内各应力分量的空间分布
   • 对于冲刷坑形态，可显示沿海管展向的冲刷剖面，也可显示海管最大冲刷深度的流向剖面形态及其随时间的发展历程

模块特色

• 冲刷算法中将土力学和传统泥沙运动理论相结合，采用了海管浮重作用下的泥沙起动修正判据
• 局部冲刷计算考虑了海管的水动力和冲刷过程的耦合，以及海管下游尾迹和泥沙休止角对冲刷过程的影响

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海流-管道耦合计算模块

海流-管道耦合计算模块具有如下功能：
        1）规则波（微幅波、斯托克斯波和椭圆余弦波等）以及随机波（支持PM谱、JONSWAP谱等波谱）的产生和传播计算
        2）包含波、流以及波流联合作用的水动力过程模拟
        3）刚、柔性结构物与波流之间的相互作用过程的动态模拟
        可用于模拟复杂的海洋水动力环境以及海工结构物与流体之间的相互作用过程。

详细功能说明

1. 前处理

   • 将参数全部重置后输入新的计算参数
   • 载入先前保存过的计算参数数据
   • 对于每一个计算工况，需要对波浪、流、结构物、网格以及计算控制等方面的参数进行设置

2. 主体功能

   其模拟功能主要包括：

   • 复杂海洋环境模拟

     (1) 模块中所实现的波流数值水槽可以对复杂海洋环境进行数值模拟

     (2) 模拟纯流运动过程

     (3) 模拟规则波（微幅波、斯托克斯波和椭圆余弦波等）以及随机波（支持PM谱、JONSWAP谱等）的产生和传播过程

     (4) 模拟波流联合作用过程

   • 波流与海工结构物的相互作用模拟

     (1) 模拟自由运动/固定的潜式/半潜式海工结构物同波流的完全非线性相互作用过程

     (2) 模拟柔性海工结构物同波流的完全非线性相互作用过程

3. 后处理

   • 通过后处理界面对计算结果进行简单的后处理。
   • 把复杂的二维、三维计算结果输出为数据文件，文件格式支持Tecplot以及Ensight等通用的计算后处理软件，具有很强的灵活性。

模块特色

• 模块所实现的波流数值水槽可以对复杂海洋环境进行数值模拟。传统的波浪数值水槽只能模拟纯波浪的传播过程，而通过该模块所构建的波流数值水槽可以对纯流、纯波与波流耦合等一般海洋环境进行数值计算，实用性更强。
• 波流水槽中加入了对海工结构物与波流相互作用的模拟，可以动态地分析刚性以及柔性结构物与波流之间的相互作用过程，功能更强，适用面更广。

三维海管后方涡量随时间的变化

   

规则波波面模拟结果与理论解的对比                         随机波模拟波谱与目标谱的对比

波流与半潜式平台的相互作用过程模拟

   

规则波不同波况条件下半潜式平台所受水平载荷的时程曲线           平台所受波浪力计算值与实验值以及理论解的对比

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海流-管道-土体耦合计算模块

海流-管道-土体耦合计算模块具有如下功能：
        1）流场包含波浪、潮流及风暴场等复杂海况
        2）弱耦合过程模拟，即流体作用下结构响应模拟及底床土体内渗流场模拟
        3）强耦合过程模拟，即流体、结构以及底床间的实时耦合分析，可模拟复杂流场作用下海底管道附近底床冲刷发展过程
        4）流场-结构-沙波耦合过程模拟，即模拟海洋流体作用下沙波运移过程及沙波与海管的相互作用，可预测沙波区海管悬跨发展情况

        本模块可应用于海洋结构物附近流场模拟、底床渗流场模拟、结构物与底床相互作用以及底床冲刷过程模拟。

    

距离跨肩不同位置处的海床土附加应力空间分布

    

海管最大冲刷深度处的冲刷剖面发展时程                  达到最大冲刷深度时，海管附近的流场

本模块可模拟海管(缆)铺设过程中的流体-海管-底床耦合过程，并输出动(静)态位移、应力和应变分布，为确定铺设方案提供依据。

    

波浪作用下海缆动响应（水深300m）                      波浪作用下海缆动响应（水深3000m）

    

不同水流速度下的缆线位形与动张力                      随牵引力增大缆线位形与张力变化

    

海缆铺设过程中不同结点底床土体反力变化

铺设角度、最大张力和最大拖曳力三者关系       

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管道响应和可靠性分析模块

管道响应和可靠性分析模块具有如下功能:
        1）悬跨海管的结构响应分析，包括：
            a）悬跨海管的静态极限承载状态分析，平均挠曲线或应力分布计算
            b）模态频响特性分析，各阶湿模态频率和振型计算
            c）瞬时动态响应分析，应力和位移沿轴分布的时程响应计算
        2）悬跨海管的可靠性分析，包括：
            a）疲劳指标、采样周期内的疲劳损伤量及疲劳寿命计算
            b）基于可靠性分析的安全性指标、可靠性指标，失效概率等计算

详细功能说明

1. 前处理

   • 可载入用户已有算例的计算参数文件或水动力数据文件。
   • 根据我国海管应用情况，程序预设了多种结构类型的海管模型，如单层钢管、单层高配重管和双层保温管，方便用户对所关心的实际海管结构建模。
   • 海底环境复杂多变，程序能对多种底床形态、跨肩约束条件、海流速度和最大冲深比等环境条件进行设置。

2. 主体功能

   模块对海管响应行为的分析主要有五部分特色功能：

   • 综合考虑底床、边界条件、海流速度以及悬跨长度，可分析不同结构形式海管静态挠曲和应力分布。
   • 求解海管附加质量系数、湿模态以及水动力系数脉动幅值。
   • 以波流水动力计算模块得到的水动力时程作为输入，求解海管动态变形和应力时程变化。
   • 基于疲劳应力的时程数据，计算海管的疲劳损伤量、可靠性指标和失效概率。
   • 针对油气田长期运行海管的老化问题，该模块提供了一种随机分布的腐蚀缺陷建模方法，能够对受海水腐蚀的钢管外壁以及被油砂磨损和气蚀的内壁建立基于正态分布的海管结构模型。

3. 后处理

   • 打开水动力数据文件后，程序可显示海管所受的三个方向水动力分量时程曲线。
   • 计算完成后，可显示海管触底后的挠曲线和应力分布。
   • 选择动态时程曲线，程序将挠曲位移和应力时程沿管轴线方向的分布以空间曲面的形式绘出，同时显示平面等值线图。用户可拖动滑块，变换视角自由查看。
   • 对于疲劳可靠性，可显示该工况下的疲劳寿命，并给出可靠性指标和失效概率随运行年限的变化曲线。
   • 计算完成后，用户可选择将动态响应数据保存为tecplot软件兼容格式的数据结构，后期可导入Tecplot进行后处理。

模块特色

• 静态极限承载状态计算计及了海床及其冲刷状况对海管受力的近底床效应，使数值模拟与海管真实环境条件更为逼近。
• 模态频响特性计算加入了对振动结构与流体间耦合效应的模拟，经与现行规范的定量比较，该算法更加客观合理、更偏于安全。
• 基于应力的时程响应计算悬跨海管的疲劳损伤及疲劳寿命，提高了预测的准确度。
• 运用可靠性分析方法计算悬跨海管的可靠性指标和失效概率，为复杂工况（悬跨长度、海流速度、跨肩约束、水动力、底床形态）下不同结构形式的悬跨海管安全性评价提供科学的理论参考。

    

静态极限承载状态计算：平均挠曲线和应力分布

脉动水动力作用下悬跨海管的垂向响应

    

位移和应力沿管轴线分布的动态响应时程

    

可靠性指标和失效概率随运行年限的变化曲线及疲劳寿命

DNV规范推荐算法和本模块计算得海管动态安全跨长区间对比

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