基于改进质量源造波方法的非线性波数值模拟

传统的质量源造波方法在强非线性波浪模拟过程中精度不高,不同波况造波源区初始设置较为复杂,针对这些问题本文提出了改进方法.考虑质量源区双向质量输出(横向和垂向),改进质量源源强函数并进行理论推导;基于OpenFOAM开源程序开展网格和时间步长收敛性验证;讨论在不同相对水深以及不同非线性强度条件下,二阶Stokes波幅值和相位与文献中传统方法模拟结果的相对误差,并对孤立波的传播过程进行模拟分析.数值模拟结果表明,改进方法不仅能提高效率,而且能提高质量源造波在较强非线性范围的模拟精度,尤其在非线性强度参数为0.2时,波幅及相位误差相对于传统方法分别降低21.7%和46.5%.     

弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化特性

采用简化的变系数内孤立波传播方程来描述弱非线性内孤立波在不同坡度斜坡上的传播演化过程.结果表明:弱非线性内孤立波在通过斜坡的传播过程中产生了不同程度的分裂现象,分裂为首波和尾波列.在通过斜坡的传播过程中内孤立波主要受到由地形诱导产生的浅化效应和能量耗散作用.对于非线性较弱的内孤立波,地形导致的浅化效应占主导作用,振幅逐渐增大并趋于稳定,而波速逐渐减小并趋于稳定.在相同的地形条件下,随着初始振幅增大,振幅的增加量减小,波速的减小量增加.随着斜坡坡度的增大,非线性内孤立波在传播过程中受到的能量耗散作用逐渐大于浅化效应,使得内孤立波在传播过程中振幅先增大后减小.当经过临界点(上下层流体深度相同的点)后,内孤立波由下凹型转变为上凸型.     

推波板制造双频波数值模拟

该文应用软件为FLUENT流体分析软件,控制方程为连续性方程和Navie r-Stokes方程。应用GAMBIT建主数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG湍流模型和VOF自由液面捕捉方法,利用FLUENT的二次开发编写源程序,赋予前边界造波功能,以及后边界数值消波功能,采用动网格来实现推波板单频造波。其与实际物理实验造波原理相符。并在此基础上,以stokes有限振幅波理论为基本理论,运用二阶双色波的推波板运动方程实现非线性双频波造波数值模拟。     

一类三阶非线性偏微分方程的孤立波

用微分方程定性理论结合数值模拟方法研究了一类三阶非线性波动方程的孤立波,给出了孤立波的存在条件,求出了孤立波的解,得到了孤立波的平面模拟图.数值模拟进一步验证了理论分析结果.     

矩形板中应力波主波和次波的传播与反射

弹性应力波的修正理论指出关于体积应变的波动方程与现有理论一致,但发展了一组关于体积应变和偏应变的弱耦合波动方程。针对矩形板受侧向集中载荷冲击下应力波的波动问题,建立了应力波传播的两组控制方程以及加载面和自由面的波动边界条件。采用有限差分方法求解波动方程,数值分析了应力波关于主波和次波的传播以及自由面上斜入射波的反射过程。偏应变在传播过程中分裂为两部分,一部分与体积应变共同传播组成主波,另一部分传播较慢形成次波。数值模拟结果显示与冲击载荷下纳钙玻璃板中应力波的传播图像是完全符合的。     

压电晶片激发理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波

基于流固耦合理论,采用有限元方法,建立压电激发理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波的数值模型.数值模拟研究单向纤维增强复合材料中的泄漏Lamb波的色散和衰减特征,得到了全波场数值解,进而分析了不同激励频率,不同纤维取向对波形的影响.结果表明:理想流体中各向异性板的泄漏Lamb波可存在非色散,衰减较小的So模态和色散,衰减较大的Ao模态;通过选择激励频率可以选择合适的传播模态.材料纤维取向不同会影响泄漏波形的传播速度以及色散和衰减特性.数值模拟建立了激励源、材料参数以及相应波形之间的定量关系,可为泄漏Lamb波技术应用于NDE和NDT提供理论参考.     

内充预压流体的弹性圆管中的孤立波

研究了内充预压流体的弹性管中孤立波的传播.在长波近似条件下,流体流速和压力变化沿半径方向进行平均,流体运动是沿管轴方向的一维流动.管壁处于二维应力状态,在现时构形上建立了其非线性运动方程,管壁材料为不可压超弹性材料,其本构描述采用二维情况下Fung型的应变能函数.借助约化摄动法由管壁与流体耦合作用的非线性方程组导出了KdV方程,表征着系统有孤立波解.最后讨论了系统的参数对孤立波传播特征的影响.     

脉冲波作用下地层流体渗流规律研究

通过对脉冲波作用下地层流体在地层中传播的动力学机理的研究,结合波动力学理论,建立了脉冲波作用下地层流体的渗流方程.假设脉冲波作用下地层流体速度是地层流体原来的流速与n次脉冲波作用下振动速度的叠加,得到了脉冲波作用下地层流体的流速方程.结合实例分析了距离、时间、脉冲频率和脉冲振幅对渗流速度的影响.随着距离增大,渗流速度的振幅逐渐减小,直至为零;随着频率的增大,渗流速度的振幅开始逐渐减小,而后又变大;随着脉冲振幅的增大,各点的流速振幅逐渐增大.建立波动条件下的渗流方程可以从理论上了解不同参数对渗流速度的影响,为脉冲波采油技术在现场的应用提供理论依据.     

基于边界造波法的二阶Stokes波的数值生成

针对滑坡涌浪灾害中波浪的产生和传播分析至关重要的问题,利用FLUENT软件平台,提出了边界造波的数值方法,并通过二次开发实现了二阶Stokes波的数值模拟。该边界造波法以不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程和追踪自由面的VOF法为基础,借助FLUENT软件中的UDF功能定义了入射边界处波浪的速度和波形解析表达式,从而模拟了二阶Stokes波的产生和传播。计算结果表明,该数值水槽能有效可靠的模拟弱非线性波浪。这为后续模拟由滑坡涌浪所产生的波浪提供了一定的研究基础。     

地形及标量非线性作用下的Rossby孤立波机制研究

地形及标量非线性作用下的Rossby孤立波具有不同的演化机制，为理解及解释实际大气运动提供了一定的理论依据。首先，从具有球面效应下的地转平衡和浅水模型出发，利用尺度分析等手段得到了具有标量非线性项意义下的位势涡度守恒方程。其次，利用多重尺度及摄动展开法，推导了非线性Rossby孤立波振幅演变所满足的Gardner方程。通过定性分析及定量数值计算模拟了Rossby孤立波的生成、发展过程。揭示了地形、标量非线性在Rossby孤立波的激发和传播中有着重要作用。     

内孤立波与潜艇相互作用的水动力学特性

为了研究海洋内孤立波与潜艇的相互作用,采用有限体积自适应半结构多重网格法求解Navier-Stokes方程,应用双推板造波法模拟内孤立波数值水槽,并将潜艇SUBOFF模型放置于数值水槽中,研究航行的潜艇在海洋中遭遇内孤立波时的流场形态和受力载荷特性。研究结果表明:潜艇在穿越孤立波时在垂向和水平方向的受力都会在短时间内发生巨变,力矩的突变也有可能使潜艇发生倾覆,同时还可能会产生强大的冲击载荷而导致其破损。     

非淹没刚性植物对孤立波传播变形影响实验

通过波浪水槽物理模型实验,研究了孤立波在植物模型前后波高、波形的变化、入射波波高、植物分布密度以及分布方式对孤立波反射、透射系数和波能衰减系数的影响.实验结果表明,孤立波波高在植物模型中急剧减小;孤立波经过植物模型后,其透射波仍以孤立波的形式继续传播,波形由尖陡变为平缓;随着水深的增加,孤立波反射系数和波能衰减系数减小,透射系数增大;随着入射波高的增高,孤立波反射系数和波能衰减系数增大,透射系数减小;在植物分布形式相同的情况下,随着植物分布密度的增加,孤立波反射系数和波能衰减系数增大、透射系数减小;在植物分布密度相同的情况下,植物在垂直于孤立波传播方向上分布地越紧密,孤立波反射系数和波能衰减系数越大、透射系数越小.     

下凹型内孤立波沿台阶地形演化特征试验

通过大型分层流水槽中下凹型内孤立波沿台阶地形演化的试验模拟,认识我国南海东北部内孤立波沿海底突变地形传播的规律。利用分层染色标识法显示内孤立波与台阶地形作用过程中的特征变化,采用多点组合探头阵技术对其结构进行定量测量。研究表明:突变地形作用导致内孤立波波幅在台阶附近显著增加,使内孤立波波形变陡并出现尾部波列和极性转换等现象。     

激活介质中孤立波的放大与衰减

描述激活介质中非线性波传播的控制方程是含微扰的KdV方程.本文利用新的直接微扰方法详细研究了在不同微扰作用下的KdV方程,从而得到了在不同微扰作用下孤立波的幅度和速度随时间的变化规律.为了比较,最后还给出了一些数值模拟结果.     

张力腿平台内孤立波载荷及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下张力腿平台的载荷特性开展了系列实验.基于两层流体内孤立波KdV(Korteweg de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata Choi Camassa)理论,建立了张力腿平台内孤立波载荷的理论模型,给出了该理论模型中三类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,张力腿平台的内孤立波水平载荷包括立柱与沉箱部分的拖曳力和惯性力,可由Morison公式进行计算,而其竖向载荷主要为竖向Froude Krylov力,可以通过内孤立波诱导动压力在立柱底部及沉箱上下湿表面进行积分计算.系列实验结果表明,在Morison公式中的拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC(Keulegan Carpenter)数之间为幂函数关系,而且基于所建立理论模型获得的张力腿平台水平力、竖向力及其力矩的计算结果与系列实验结果吻合.本项研究在系列实验基础上,为海洋工程张力腿平台的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型.     

表面波诱导的近底高浓度泥沙水层内波动场的计算

随着水质恶化,底泥悬浮对水质的重要影响受到极大地关注.计算机的迅速发展为数值模拟底泥运动与再悬浮研究提供了可靠手段.利用连续性方程和N-S方程模拟流体质点运动,采用VOF法追踪自由面和水-泥沙水的相界面运动,建立了空气-水-高浓度泥沙水的数值波浪水槽,实现了波浪作用下的流场动力学响应模拟.利用波谱分析手段,分析了流场中表面波和内波耦合波场的波动特性,提出了小幅值线性波动场的计算方法.     

高阶非线性惯性波模型的精确孤立波和周期波解

描述高阶非线性惯性波运动的模型是一个偏微分方程.用动力系统方法证明,存在系统的参数组,使得高阶非线性惯性波模型有精确的周期波解,亮孤子和暗孤子解.     

非线性晶格中的孤立波解

本文从理论上得出了任意非线性相互作用的一维晶格中小振幅连续场近似的孤立波传播速度与其振幅的关系,并分别给出了常见相互作用势——Morse 势和 L-J 势晶格中的结果。把此结果同由文献[3]得出的结果以及数值结果进行比较,表明本文的结果同数值结果吻合得更好。     

孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟

海啸对海面上的船舶、建筑物及周围环境破坏极大,而对于海啸的研究通常采用孤立波来模拟.为了探究海啸对斜坡堤越浪的问题,在FLUENT软件中,建立二维数值波浪水槽,采用用户定义函数(user defined function,UDF)边界造波,流体体积函数(volume of fluid,VOF)方法追踪自由表面,模拟出孤立波波高随时间变化的情况.并利用斜坡堤数值波浪水槽模拟堤顶处的越浪量,与实验数据对比.进而,研究相对波高、相对超高、相对堤顶宽度对越浪量的影响.研究结果表明,孤立波在斜坡堤作用下,越浪量数值模拟的结果与实验值吻合较好;无量纲越浪量随着相对波高的增大而增大;随着相对超高、相对堤顶宽度的增大而减小;通过模拟不同堤顶宽度的越浪量,总结出孤立波越浪量沿堤顶宽度衰减的经验公式.     

Klein-Gordon-Schrdinger方程组的精确解

根据齐次平衡原理,利用包络变换和直接拟设法研究Klein-Gordon-Schrdinger方程组的精确解;借助数学软件Maple,得到了亮孤立波解和暗孤立波解,并对解作出数值模拟图像.