近岸Duck Mouth型海漂垃圾收集装备结构型式及水动力研究

论文摘要

随着海洋产业的进一步发展以及各种海上活动的增多,海漂垃圾也越来越多地影响着近岸的海洋环境。这些海漂垃圾主要分布在旅游休闲娱乐区、农渔业区、港口航运区和海滨浴场等近岸海域,严重影响了海岸景观、船舶航行、海洋生物和人类健康。近年来,为保护海洋环境,海漂垃圾的清理问题已经成为国际海洋环境保护领域重要的议题。然而,目前海漂垃圾主要靠人工清理,方法和手段比较单一,加之近岸海域的水动力环境复杂,导致一直缺乏高效的、自动化的海漂垃圾清理方式。本文旨在提出近岸海域海漂垃圾收集装备的合理结构型式,并进一步开展相应的水动力研究,探索其波浪力的计算方法,最终通过原型试验检验相关研究成果在实际工程应用的可行性,达到了丰富近岸海域海漂垃圾收集方法和装备结构型式的目的。本文首先开展海漂垃圾分布和分类的调查研究,分析了海漂垃圾的漂移轨迹;在考虑装备布置区域地形、水文和地质等条件的基础上,提出了适用于近岸海域的海漂垃圾收集装备的新型结构型式和收集方法。其次,采用理论分析、数值模拟、物理模型试验和现场原型试验相结合的研究方法,对海漂垃圾收集装备水动力特性和垃圾收集性能开展了系统研究,主要包括:1、基于FVCOM海洋环流数学模型和SWAN近岸波浪传播模型,建立了综合考虑风、浪、流的海漂垃圾漂移轨迹预测模型,通过数值模拟获取海漂垃圾的运动规律,从而有效地解决收集装备的布放选址问题。2、提出了适用于近岸海域的海漂垃圾自驱动收集技术和装备结构型式,并在实际海域开展了原型观测试验研究。海漂垃圾收集装备包括拦截装置和收集装置,向外海呈鸭嘴(Duck Mouth)型布置,利用波浪和海流动力驱动,可全天候、无耗能、自动收集近岸海域的海漂垃圾。3、对收集装备主体结构水动力荷载的计算方法开展了大量的理论分析。拦截装置作为收集装备的主体结构,主要包括漂浮水平圆柱、带下部裙摆水平圆柱等型式,圆柱在海水中的浸没深度较浅。基于拦截装置浅浸没的特点,通过改进Morison方程和阶梯逼近解析法,分别提出了适合小尺度和大尺度的浅浸没水平圆柱波浪力的理论计算方法。4、采用粘性流数值模拟和物理模型试验相结合的方法,揭示了带下部裙摆拦截装置的水动力特性,提出了基于该结构波浪力预测经验公式的缆绳拉力简易计算方法,并通过模型试验进行验证。结果表明,通过该计算方法得出的缆绳拉力值较试验结果偏保守,可作为工程设计的依据或用来校核缆绳拉力动力分析模型的计算结果。5、为了检验近岸Duck Mouth型海漂垃圾收集装备在海上的应用性能,针对垃圾收集率和装备运动响应等要素开展了海上原型观测试验研究。结果表明,近岸Duck Mouth型海漂垃圾收集装备具有较好的垃圾收集性能。在常规天气下,海漂垃圾拦截率达93%,收集率为60%,运动响应中的最大垂荡值0.2m,为完善和丰富收集装备设计提供参考。

论文目录

摘要

ABSTRACT

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外海漂垃圾收集装备及方法

1.3 海漂垃圾收集装备相关水动力特性研究现状

1.3.1 理论分析

1.3.2 物理模型试验

1.3.3 数值模拟

1.3.4 存在的问题

1.4 本文工作内容

2 海漂垃圾漂移轨迹预测

2.1 海漂垃圾分布和分类

2.1.1 垃圾分布

2.1.2 垃圾分类

2.1.3 分类结果分析

2.2 水动力学模型

2.2.1 FVCOM模型

2.2.2 SWAN模型

2.2.3 耦合方法

2.2.4 拉格朗日质点追踪法

2.2.5 海漂垃圾漂移轨迹预测模型

2.3 水动力模型验证

2.3.1 计算设置

2.3.2 水位和潮流验证

2.3.3 海漂垃圾漂移轨迹验证

2.4 海漂垃圾漂移轨迹模拟结果

2.4.1 流场特性

2.4.2 特征点流速矢量分析

2.4.3 海漂垃圾漂移轨迹

2.5 本章小结

3 Duck Mouth结构型式提出

3.1 Duck Mouth结构选型原则

3.1.1 平面布置原则

3.1.2 拦截装置尺度

3.1.3 收集装置尺度

3.2 Duck Mouth结构型式

3.2.1 总体结构介绍

3.2.2 拦截装置

3.2.3 叶轮驱动式收集装置

3.2.4 桩基门式收集装置

3.2.5 结构适用性探讨

3.2.6 大屿岛Duck Mouth结构型式初选

3.3 本章小结

4 Duck Mouth主体结构水动力分析理论及方法

4.1 解析理论研究

4.1.1 小尺度拦截装置波浪力

4.1.2 大尺度拦截装置波浪力

4.2 粘性流数值模拟方法

4.2.1 控制方程

4.2.2 计算网格设置

4.2.3 流场求解

4.2.4 界面捕捉重构方法

4.2.5 固体边界处理

4.3 物理模型试验

4.3.1 模型设计

4.3.2 试验设备及布置

4.3.3 试验内容

4.4 本章小结

5 Duck Mouth主体结构水动力研究结果与分析

5.1 小尺度拦截装置

5.1.1 规则波作用下波浪力变化规律

5.1.2 自由液面变化规律

5.1.3 不规则波作用下波浪力变化规律

5.2 带下部裙摆拦截装置

5.2.1 波浪力变化规律研究

5.2.2 波浪力预测经验公式

5.2.3 缆绳拉力研究

5.3 大尺度拦截装置

5.3.1 大尺度拦截装置所受波浪力研究

5.3.2 自由液面变化规律

5.4 本章小结

6 Duck Mouth海上原型试验研究

6.1 试验区域

6.1.1 地理位置

6.1.2 水文条件

6.2 试验设备

6.2.1 监测设备

6.2.2 Duck Mouth实物研制

6.3 Duck Mouth垃圾收集效率测试

6.3.1 试验方法

6.3.2 收集效率分析

6.3.3 垃圾清理效果

6.4 波浪作用下收集装备的运动响应

6.4.1 双目立体视觉测量系统

6.4.2 Duck Mouth运动响应原型试验研究

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘必劲

导师: 孙昭晨

关键词: 海漂垃圾收集装备,水动力特性,浅浸没水平圆柱,波浪力,原型试验

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用

单位: 大连理工大学

分类号: X55

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003551

总页数: 200

文件大小: 19337K

下载量: 29

近岸Duck Mouth型海漂垃圾收集装备结构型式及水动力研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢