规则波在岛礁地形上传播变化特性的试验

通过物理模型试验研究了规则波在陡峭珊瑚礁地形上的传播、变形和破碎变化特性.试验研究了在深水波和有限水深波作用下,礁坪上波浪增水高度与礁坪上淹没水深和入射波参数等的变化规律.试验结果表明,当礁坪上淹没水深较小时,波浪在礁面上发生破碎,礁坪上平均水面增高值较大,在本试验范围内,最大增水值接近0.40H_0.当礁坪上淹没水深较大时,波浪在礁坪上发生破碎,礁坪上最大增水值不到0.10H_0.文中将本试验结果与Gourlay,Nelson和Jensen等人的试验结果进行了比较,分析了各试验结果的差异及其原因,解释了礁坪上波浪增水高度随周期的变化关系,并建议了Gourlay提出的波浪增水计算公式中的波能耗散系数取值范围.     

一种新型的数值模拟近岸波浪的动谱平衡方程模型

简述波浪数值推算的几种模型,对动谱密度平衡方程模型的源项、数值造波和边界条件的处理方法进行了研究。在源项中不仅包括非线性四相波相互作用,还引进非线性三相波相互作用,数值模拟波浪在近岸运动机理。与Boussinesq方程和缓坡方程进行了分析比较;数值计算了海安湾有效波高及平均波周期场分布,在非定常情形下以数值试验模拟了计算域内流速和水位变化对风浪要素的影响。讨论了模型将来的发展趋势。     

珊瑚礁地形上直立式防浪堤越浪大水槽实验

通过大比尺波浪水槽实验,对珊瑚礁地形上的直立式防浪堤越浪规律进行了研究.采用弗劳德相似准则,按照1:15的模型比尺,研究了规则波在筑堤珊瑚礁上的传播过程,分析了波高、周期、礁坪水深和防浪堤与礁缘之间距离对越浪量的影响.结果表明随着波高和周期的增大,越浪量明显增大;随着礁坪水深的减少,堤顶离水面的距离增大,越浪量明显减少;大部分情况下,随着距离增加,越浪量减少,但在周期超过13.56 s时,由于防浪堤堤前壅水的影响,越浪量随着距离的增加存在先减小再增加之后再减小的趋势.进一步讨论了波陡和相对干舷高度对无量纲越浪量的影响,结果显示当波高相同时,波陡越大,波浪破碎越剧烈,无量纲平均越浪量越小;而在相同的波况下,相对干舷高度越小,无量纲越浪量越大;基于实验数据拟合出考虑波周期、入射波高、礁坪水深和防波堤与礁缘之间距离影响的珊瑚礁上直立式防浪堤越浪量估算公式.基于实验数据拟合出考虑波周期、入射波高、礁坪水深和防波堤与礁缘之间距离影响的珊瑚礁上直立式防浪堤越浪量估算公式.     

礁面糙率变化下珊瑚礁海岸附近波浪传播变形试验

采用不同排列方式的圆柱体阵列来模拟珊瑚礁破碎带附近礁面粗糙度的变化,通过测试一系列不规则波波的况研究了珊瑚礁海岸附近的短波、低频长波和波谱的变化规律,并与礁面光滑的情况进行了对比.结果表明:波浪沿礁传播过程中,短波持续衰减,到达海岸线附近短波波高相对于入射波高显著降低.低频长波波高沿礁逐渐增大,直到海岸线附近达到最大.礁面粗糙时短波和低频长波的波高均小于礁面光滑时的情况;礁面粗糙程度变化时,海岸线附近处短波波高和低频长波波高随着礁面糙率密度的增加而减小.通过相干函数和传递函数分析验证了礁坪低频长波由短波群在礁缘处破碎后破碎点的移动产生,并且珊瑚礁坪上低频长波的运动存在着共振模式;礁面光滑时,低频长波能量由于一阶共振效应在礁缘向海岸线传播的过程中被放大,礁面粗糙时,低频长波能量在礁坪上被摩擦所耗散,共振效应不显著.     

2011年3月11日日本地震海啸数值模拟

为了有效利用数值模拟的方法来更好的预测海啸,利用美国国家地质调查局(US Geological Survey,USGS)给出的震源机制及断层参数,对日本仙台地震海啸进行数值模拟,运用模拟结果对沿岸海啸灾害分布进行分析,以期给出更为合理的海啸预警方案.数值模型由震后表面变形模拟和基于二维浅水波方程的海啸传播程序两部分组成,模拟结果表现了海啸传播过程的特征,与岸边观测点对于海啸到达时间及波高的记录基本吻合.使用该模型在地震发生后对于海啸到达的地区及其波高进行预测,可以给出更准确的海啸预警,降低海啸对人类造成的损失.     

破碎区水体掺气特征及空隙率分布规律

为了解破碎区水体掺气过程中空隙率的分布及其与波浪要素之间的关系,基于波浪水槽实验,通过高速摄像机和气泡测量系统分别记录了卷破波作用下破碎区内水体掺气过程和空隙率时空分布,着重分析了影响空隙率分布的主要因素.实验结果表明:空隙率的分布与水深、波浪特征指标以及与破碎点的距离有关;讨论了空隙率的时均分布特征,引入C_0和k_1两个经验参数建立了其函数关系表达式,并通过实验数据进行拟合反推得到参数k_1与波高成反比、C_0是波陡、相对水深、无量纲水平位置的函数.基于拟合公式分析了各要素与空隙率之间的关系,得到本实验条件下水面处最大的空隙率接近20%,气泡最大穿透深度接近静水面下5cm;破碎区域内空隙率随水深的增加呈e指数的函数关系衰减.研究结果能较好地用于预测破碎区空隙率的分布,为深入研究波浪破碎作用下气泡输运机制提供参考.     

Analysis Of Status On Flow Movement Of Surface Irrigation

地面灌溉作为目前最主要的灌溉方式,主要包括畦灌、沟灌、淹灌、漫灌等,其优点是操作简便,管理成本低；缺点是灌溉效率低,灌水过程中水量损失大.目前,用于对地面灌溉水流进行模拟的模型有水量平衡模型、完整水动力学模型、零惯量模型和运动波模型.     

基于海气耦合模式的南中国海北部风暴潮模拟

伴随台风产生的大风、暴雨、巨浪、风暴潮形成的台风灾害链对沿岸地区产生巨大影响,研究台风的形成和运动机理,减小风暴潮灾害,具有重要的科学价值和社会意义.台风影响期间,大气与海洋之间存在强烈的质量、能量交换,风场、流场、波浪场等物理场相互作用、相互影响.基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建南中国海地区海气耦合模式,针对2012年台风"启德"进行数值模拟.通过观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明,建立的WRF-ROMS耦合模式在对台风"启德"影响下的南中国海风暴潮模拟中展现出较高的模拟精度.通过数值模式计算结果揭示了台风、风暴增水和风生流场的时空分布特征.台风运动过程中台风动力场、风暴增水及流场在空间上均具有"右偏性"的不对称分布特征,近岸风暴增水对台风的响应在时间上存在滞后性,风生流场具有较明显的滞后性特征.     

液相中气相成核的二维分子动力学模拟

采用分子动力学方法对二维液相空间中的气相成核过程进行模拟, 结果表明: 当计算域太小时, 形核生成的非液相区表现为空穴或仅有少量的气相分子; 只有当计算域足够大时, 才能使形核继续下去, 形成由一定数量分子组成的气相团簇, 或称气泡, 周期性边界条件并不能扩大对形核过程的模拟能力. 较大规模的模拟表明液相中的气相成核过程实际经历了3个阶段: 空穴自身生长; 空穴合并增长并开始出现少量气相分子; 形成汽泡.     

北京奥运村洪水淹没风险模型研究

随着城市化的加剧, 城市暴雨积水的风险越来越大, 城市洪水问题已成为全球性环境灾害的热点问题. 如何有效分析城市水文过程, 准确评估城市洪水风险是市政建设和水资源管理的迫切需要. 城区人工下垫面复杂, 水利设施众多, 传统的水文模型和水动力模型均难以准确地模拟洪水非恒定演变过程. 以城市复杂环境下的产汇流、排水、积水等过程作为研究对象, 首先建立水文模型实时模拟降雨径流过程, 进而分别建立适用于排水系统的一维水动力模型和适用于地表洪水漫流的二维水动力模型, 最终在地理信息系统平台上将这三类模型进行在线耦合, 最终建立起适用于城市洪水预测模拟的耦合模型系统. 以北京奥运村为例, 针对不同的典型降雨过程, 对该模型系统进行验证和分析, 模拟结果表明该模型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程, 能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估, 切实指导区域水利设施建设和水资源管理.     

一种优化的交错变网格有限差分法及其在井间声波中的应用

提出了一种优化交错变网格有限差分算法, 并在二维速度-应力关系的弹性波方程中实现. 利用频散关系守恒准则构造了四阶精度的差分算子, 该算法属于连续变网格方法, 不需要在精细网格和粗糙网格之间进行插值. 将优化算法的数值结果与解析解及八阶规则交错网格差分算法进行了比较, 验证了该算法的精度. 与基于Taylor展开的变网格有限差分算法比较可知, 优化算法的频散特性较好, 在数值模拟中可使用更粗糙的网格. 将提出的优化算法应用于复杂的井间声波模型. 该数值实例表明, 优化算法可以节省大量的计算内存和计算时间, 同时具有优良的稳定性.     

Ni/MH动力电池循环过程热效应分析

通过建立二维热模型对6.5 Ah 圆柱型Ni/MH动力电池在常规循环和模拟工况循环过程中的热效应进行了分析, 并讨论了循环次数对电池热效应的影响. 实验采用石英频率微量热仪对电池的热容量及其在不同电流(1 C, 3 C, 5 C)过充电时的产热速率进行了测量, 继而将产热速率曲线拟合成分段函数, 以此建立精确的热模型. 实验采用有限元方法模拟了电池在不同循环次数时不同电流充电过程中其内部温度场分布. 结果表明, 电池在常规循环和模拟工况循环时, 循环次数与电池内部中心温度之间均近似呈现线性关系; 同时, 在对电池热效应的测试过程中, 充电电流越大, 循环次数对热效应的影响越显著. 由此, 可以预测不同循环次数时电池内部的温度分布, 从而对不同循环次数时电池的实际使用条件提供指导.     

泥石流动力学模型与数值模拟

泥石流是介于崩塌、滑坡等块体运动和山洪水流之间的一种物理过程,既具有土体的结构性,又具有水体的流动性。从物质组成上看,泥石流是一种由水、岩土体和气体组成的多相介质,具有多种内部结构。其中的固相组分颗粒形状极其不规则,尺度跨越范围较大。浆体与固相颗粒以及颗粒间的相互作用非常复杂。因此,完全考虑各种因素建立全描述的泥石流动力学模型比较困难。从描述组成物质和运动的观点来看,目前泥石流的动力学模型可划分为连续介质、离散介质和混合介质模型。基于不同动力学模型的泥石流运动数值模拟,可广泛应用于流量过程反演、危险范围预测、风险评估、防治工程评估等方面;但泥石流本身启动和产汇流机理涉及多门学科,是需要进一步研究的重要课题。同时,泥石流形成过程和运动过程的数值模拟存在着时空尺度上的差异,如何实现两者的耦合求解仍需深入探讨。     

三维颗粒系统中表面斑图的簇模型

通过与二维颗粒系统的类比, 建立三维颗粒系统在垂直激励下形成表面斑图的簇模型, 并 将表面斑图解释为正棱台簇和底板的碰撞以及正棱台簇和边界的碰撞共同作用的结果. 根据正棱 台簇在与底板的碰撞中吸取能量这一事实, 详细讨论了单个簇与底板的碰撞过程. 再根据运动的 周期性, 由速度关系推导出簇模型的一个基本方程. 该方程将系统的特征参量和激励参量联系在 一起, 并以此分析斑图随激励加速度和激励频率的变化, 以及色散关系. 在一定的参数范围内, 理论与实验吻合较好.     

湍流提升火焰条件矩封闭模拟

采用k-ε-g湍流模型、23步反应机理和径向平均条件矩封闭(Conditional Moment Closure)CMC技术, 模拟了氢气湍流提升火焰结构, 并探讨了火焰稳定机理. 作为针对湍流提升火焰进行耦合CMC模型的多维大涡模拟LES的第一步, 计算考虑了湍流对燃烧的作用, 数值格式采用高精度Padé格式, 推导并采用了基于特征波分析的多组分条件矩Navier-Stokes特征边界条件NSCBC, 本研究暂不考虑热释放对湍流的影响, 模拟集中于火焰提升区域. 与国际上公布的相关实验数据的比较表明, 模型精确地预测了提升高度、Favre径向平均温度和组分浓度. 研究结果表明, 径向平均CMC模型能够较好重构目前仍争议较大的提升火焰稳定机理.     

小振幅大气重力波传播的数值研究

应用二维可压大气全非线性动力学模型, 模拟了小振幅中频重力波波包的非线性传播. 并与相应线性模型的模拟结果作了比较. 结果表明在等温大气中非线性效应对小振幅重力波传播的影响是可以忽略的. 而在非等温大气中, 非线性效应对于重力波波包传播的影响显著, 主要表现在非线性相互作用将显著地减小波包能量传输速度; 波振幅增长率也小于线性传播结果, 但波动量仍能保持守恒. 中层大气的观测也给出了非等温大气导致的波非线性相互作用的证据.     

2DMD应用于微通道内气体流动研究

为了将2DMD(二维分子动力学)方法应用于微通道内气体流动的研究, 以平衡状态气体分子速度的分布函数为基础, 得到了分子平均速率、平均碰撞频率、平均自由程和动力黏度的理论形式, 以及二维体系气体流动的滑移边界条件. 在此基础上, 应用2DMD方法模拟了气体在亚微米通道内的滑移流动, 并与3D模拟的计算结果和计算量进行了对比分析.     

垂直Bridgman法晶体生长中的非等温相变现象初探

将加扩展项的轴对称双倒易边界元方法拓展应用于数值模拟垂直Bridgman法生长HgCdTe及CdZnTe晶体过程中非等温相变传热传质问题, 印证了轴向溶质浓度的分区分布并且研究了拉晶速度对分区的影响, 同时分析了晶体生长过程中产生的一维瞬态非等温相变现象, 获得了由初始过渡区经稳定生长区, 最后到末端过渡区全过程的非等温相变数值结果. 进一步, 通过数值模拟捕获了拉晶速度为零时, 稳态情况下的二维轴对称相变界面位置和形状, 并得到了熔体和晶体温度场, 最后着重研究了瞬态拉晶过程中的二维轴对称非等温相变现象, 比较了其与等温相变的差异, 并揭示了不同拉晶速度对非等温相变现象的影响.     

全球大气-海浪耦合模式对海面气压场模拟的改善

利用高分辨率的全球大气环流-海浪耦合模式进行了大气环流季节循环的集合模拟, 通过与欧洲中期预报中心再分析资料的比较, 表明耦合模式可以有效地改进海面气压场的模拟, 这种改进得益于考虑了波浪所产生的波生应力. 同时, 耦合试验结果也清楚地表明了中纬度大气对于海表热通量强迫表现为“热-低压”的响应形式, 增进了对中纬度大气对于海洋强迫响应的理解.     

非均匀地质构造静场响应的高效数值模拟

针对轴对称的任意二维非均匀媒质,建立了求解静电或稳恒场问题Green函数的高效纵向数值模式匹配理论。所导出的公式皆为特别宜于计算机模拟的矩阵代数形式。所建立的数值计算方法使得求解全部问题无需进行任何数值积分运算,计算效率较二维有限元法可提高两个数量级。本文所运用的纵向数值模式匹配法,是Chew等人建立的径向数值模式匹配理论的延伸和发展。Pai曾用类似方法求解电磁波测井问题,Gianzero曾给出过二层构造的公式。本文给出的解答可普遍适用于任意二维非均匀构造中Green函数的求解,实现石油测井中复杂地质环境的精细数值模拟。