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.     

数值波浪水槽的造波及消波方法

为了提高海洋工程相关问题的研究效率,并为物理造波机的设计提供参考,应用FLUENT软件模拟了数值波浪水槽的造波及消波过程.在模拟中,利用用户自定义函数UDF设置摇板造波机的运动条件,利用动网格技术实现流体运动;通过设置多孔介质区域和添加粘性阻力动量源项的方法消除水槽末端壁面对波浪的反射;采用VOF方法模拟自由表面位置.模拟结果表明:摇板式造波法可以在数值水槽中制造出稳定的线性波,其周期误差较小,可以满足模拟实验的要求;多孔介质加粘性阻力动量源项的消波方法效果较好,基本可以消除水槽末端壁面反射波的影响.     

双排立柱结构附近孤立波传播变形数值模拟

基于Navier-Stokes方程运用大涡模拟建立了三维数值波浪水槽,分别模拟了孤立波与并列和交错两种双排立柱结构的相互作用的过程,并通过物理模型实验对比验证了双排立柱结构附近的自由液面、流速和动水压强的变化特征.随后运用校核的模型进一步分析了双排立柱结构附近波浪的反射系数、透射系数、能量耗散系数以及能量耗散系数与拖曳力系数之间的关系,并考虑了不同入射波高和柱间间隙的影响.研究结果表明:并列和交错两种双排立柱结构附近孤立波传播变形的特征总体变化趋势相似:随着圆心距与圆柱直径的比值(间隙比)增大,反射系数和能量耗散系数减小,透射系数增大;随着入射波高与静水深比值(相对入射波高)增大,孤立波的反射系数变化较小且无规则,而透射系数逐渐减小,能量耗散系数逐渐增大;并列双排立柱结构附近的波浪的透射系数大于交错双排立柱结构,而反射系数则小于交错双排柱结构,当间隙比大于2.0时,布置方式对孤立波传播变形的影响可以忽略不计.最后通过回归分析发现两种布置双排立柱结构的平均拖曳力系数与能量耗散系数均存在线性关系.     

新型开孔工字板组合式防波堤消浪特性与波浪力试验

为了进一步提高透空板式防波堤的消波性能,减小防波堤结构的波浪力荷载,提出了一种由多个开孔工字板组成的透空板式防波堤结构。基于物理模型试验,研究了规则波作用下新型开孔工字板组合式防波堤的消浪特性和波浪力荷载,探讨了防波堤透射系数、反射系数、能量耗散系数和波浪力荷载随着波陡H/L、堤顶相对潜深h/d、相对水深d/L的变化规律。研究结果表明,该防波堤的透射系数随着堤顶相对潜深h/d的增大而增大,随着相对水深d/L的减小而急剧减小;防波堤波浪力荷载以竖向受力为主,防波堤竖向总力远大于水平总力,且波浪力随着波陡H/L的增大而急剧增大。在试验范围内,该结构具有良好的消浪效果,且波浪反射较小,波浪能量耗散较大。     

孤立波通过透水潜堤水动力特性试验

基于波浪水槽试验,对孤立波通过潜堤的传播变形、透射系数和波浪爬高开展研究,分析了潜堤消浪效果、波浪爬高与相对堤顶水深和潜堤透水率的关系．研究结果表明,在相同透水率的条件下,透射系数随着相对堤顶水深的增大而增大．波浪爬高明显随着入射波高的增大而增大,并且成线性趋势,在同一透水率下,波浪爬高随着堤顶水深的增大而增大．     

基于二阶规则波模拟的数值波浪水槽优化

基于CFD开源软件包OpenFOAM,建立了基于Navier-Stokes方程的二维数值波浪水槽模型。模型采用体积函数(VOF)法捕捉自由水面,采用 k-ω SST紊流模型封闭控制方程。针对不同波陡( i =0.01~0.06)的Stokes二阶波,分别采用速度边界法或推板造波法进行造波,采用阻尼消波法、辐射边界法或松弛区域法进行消波;通过对不同造波和消波方法组合方式计算结果的比较,分析了数值波浪水槽在不同波陡工况下的消波效果和造波效果。模拟结果表明:对于小波陡( i =0.01~0.03)工况,采用速度边界造波和松弛区域法消波的组合方式具有较高的模拟精度;对于大波陡( i =0.04~0.06)工况,采用推板造波法造波和基于平方形式阻尼函数的阻尼消波法消波的组合方式具有较高的模拟精度。     

双弧板式透空堤消浪特性物理模型试验

为探究双弧板式透空堤在不同工况作用下的消浪效果,本文基于物理模型试验对该新型透空式防波堤的消浪特性开展了研究.在比较其与平板式透空堤消浪特性的基础上,探讨了相对波高、相对板间距、相对潜深和相对板宽对双弧板式透空堤消浪特性的影响.结果表明:双弧板式透空堤的消浪效果优于双平板式透空堤.对双弧板式透空堤而言,透射系数随相对波高的增大而增大,反射系数则相反.透射与反射系数受相对板间距的影响不显著.透射系数在出水状态(相对潜深为-0.05)时最小,入水状态(相对潜深为0.05)时最大,静水面处居中;反射系数则在出水状态时最大,入水状态时最小.透射系数随相对板宽的增大而减小,反射系数则相反.     

日照港码头结构消浪的数值模拟

针对日照港在建设和运行中出现港内、码头泊稳条件较差的状况,通过数值模拟方法研究码头结构形式和消浪设施对港池内波浪传播变形的影响.在波浪数值计算过程中,考虑西四期工程反射系数发生变化,导致波浪的折射、绕射、反射和波能损耗等物理现象,利用缓坡方程模型,并结合有限元方法,推算分析极端高水位和设计高水位2种工程水位、3个波向(...     

介质界面极化电磁波的传播特性研究

利用电磁场边界条件得到极化波在界面的反射系数和透射系数,并进行数值计算和模拟.模拟结果表明,媒质的电容率与反射系数和透射系数关系密切,当透射媒质的电容率增大时,反射系数和折射系数一般会变小,反之则变大;对斜滑投射,垂直极化波和平行极化波均出现入射波全被反射的情况,且反射波与入射波相位相反.模拟结果还显示,无论是光密媒质还是光疏媒质,平行极化波均出现"无反射"现象,而垂直极化波则没有;垂直极化的反射系数和透射系数曲线是两条平行曲线.     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

浅水不规则波的无网格数值模拟

采用基于配点和径向基函数的无网格数值模拟方法,建立数值海洋工程水池,将源点布置在模拟波浪场之外,沿边界布置配点而不是划分网格;对深水不规则波经斜坡过渡后在均匀水深浅水域中传播的过程进行无网格数值模拟和波谱的迭代修正.不规则波的数值模拟结果显示,该方法形式简单、计算速度快、稳定性好.经物理水池的造波实验验证,波浪谱、波浪参数、波浪时历都与实验结果吻合良好,并具有浅水波特征,最终模拟得到的浅水不规则波令人满意.     

基于OpenFOAM几何流体体积方法的波浪数值模拟

波浪数值模拟一直是船舶海洋工程领域非常重要的研究课题.该研究基于开源计算流体力学分析平台OpenFOAM对Stokes五阶波进行模拟.由于几何流体体积(VOF)方法中的几何重构处理能够实现对自由液面更精准的捕捉,所以该研究采用了OpenFOAM内置几何VOF方法——isoAdvector方法,进行自由液面捕捉,通过二次开发引入松弛区方法进行消波处理.对几何VOF方法下网格密度及库朗数进行了收敛性分析,发现可用较大库朗数获得较好的波浪模拟结果;在不同波陡和波频情况下,对几何VOF方法和代数VOF方法模拟波浪的波高及相位进行分析,并与Stokes五阶波理论值进行了对比,研究表明几何VOF方法能更好地对波高进行模拟.最后探讨了松弛区方法中消波区长度及权重分布对消波效果的影响,结果显示大于2倍波长的消波区长度配合指数权重分布可达到最佳消波效果.     

基于波能守恒方程模拟近岸波流场

基于波能守恒方程对平直斜坡上近岸波浪场以及近岸波浪斜向入射破碎后所产生的沿岸流场进行数值模拟.鉴于平直斜坡地形较简单,便于简单计算,利用基于波能守恒方程建立的波浪场数学模型计算得到波高的变化,从而利用Longuet-Higgins计算辐射应力.在此基础上,利用近岸波流场数学模型对实验波况下的波流场进行模拟,并将数值模拟...     

Stokes波的数值生成

优良的波浪环境条件是非线性波浪与结构物相互作用问题研究的基础。给出一种在时域中模拟刚性剖面作周期运动辐射生成Ｓｔｏｋｅｓ 波的方法,为数值波浪水池试验提供高品质入射波模型。在频域中对二维二阶辐射问题作数值求解,通过对二阶辐射波传播模式的分析,找出能在水池中生成二阶意义上纯正的Ｓｔｏｋｅｓ波的造波机运动形式。利用边界积分方程的时间步进法进行非线性数值造波的模拟证实了在频域中得到的结论,在数值波浪水池中生成了稳定的带有波前的高品质Ｓｔｏｋｅｓ波。     

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.     

三维无反射数值波浪水池及波浪与结构物相互作用的模拟

基于不可压缩黏性流体的N-S方程,采用质量源造波法建立了三维无反射数值波浪水池,并成功地模拟了波浪与浮体的相互作用问题.该数值水池中间为质量源造波区和工作区,两端为消波区,以避免由边界引起的二次波浪反射.数值模拟规则行进波传播,波浪与贯底直立墙壁、矩形浮体、多浮体相互作用,并与边界法数值水池造波以及相关理论、试验结果进行了比较.研究表明,质量源法数值水池较好地模拟了波浪传播及在结构物前形成的驻波,克服了边界造波法无法消除二次反射波的困难,体现了无反射数值波浪水池的效果.采用数值模拟研究了波浪与并排旁靠的Wigley船和矩形驳船在不同频率波浪作用下的水动力性能,各频率上浮体所受的波浪力计算结果和试验值吻合良好,在共振频率附近比势流结果更为准确.     

基于OpenFOAM的弧板式透空堤水动力特性数值研究

为探讨一种弧板式透空堤的水动力特性,基于OpenFOAM建立了波浪与弧板式透空堤相互作用数值模型,探讨了弧板式透空堤的消浪特性、压强特性及流场分布情况.结果表明:本次数值试验范围内,波浪对弧板式透空堤的透射系数随相对板宽的增大而减小,反射系数则相反.弧板式透空堤上下表面所受波浪正压强与负压强分布呈现对称特性,且大部分工况下的波浪压强极值发生在结构物偏迎浪向一侧的测点位置处.弧板式透空堤位于静水面及以上时,消浪效果明显优于其位于静水面以下.弧板式透空堤对其周围流场影响显著,在其迎浪向与背浪向位置均产生较为明显的漩涡.     

水流对立柱周围波浪爬升特性的影响

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和连续性方程建立适用于波浪与水流相互作用的三维数值波浪水池,并在该数值波浪水池内对立柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟;选用不同的波流组合方式,探讨了水流速度对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响,并与波浪单独作用时立柱周围的波浪爬升情况进行对比,分析了水流对柱体周围波面的扰动和水质点运动轨迹的影响.同时,对波浪单独作用下,立柱近壁面处的波浪爬升效应进行了模型试验,以验证数值计算结果的准确性.结果表明,其计算值与试验值吻合较好.     

多向不规则波群传播的数值模拟

波群的模拟是与波群有关的数值和物理模型试验的前提。实际的波浪是多向的不规则波,为了在实验水池中模拟多向不规则波群,该文首先根据给定的波要素、群性参数和方向分布参数,给出了多向不规则波群的数值模拟方法,在此基础上利用有限元法求解改进的Boussinesq方程的数值计算模型,建立了数值水池在指定位置模拟所要求群性的多向不规则波的入射波浪边界条件的计算方法。典型算例表明:按照该文建议的方法确定入射波浪边界条件而建立的数值模型,可以在水池指定位置处产生满足给定群性要求的多向不规则波浪。此外,对多向不规则波群的传播进行了数值研究。     

面向海洋工程应用的数值波浪水池

采用FLUENT软件中的用户自定义函数功能和动网格功能进行造波和消波,采用VOF方法捕捉自由液面,开发了一个数值波浪水池,该水池可以生成规则波浪、按照波谱生成不规则波浪以及生成既定的不规则波波列.文中开展了网格和时间步长试验,力图找到经济精确的网格划分方案和高效的时间步长方案.文中按照Jonswap谱进行了不规则波浪的数值模拟,采用了等分能量法分解波谱的频率区间来得到组成波的圆频率,模拟结果显示计算波谱与目标波谱一致,波浪的统计特征得到了很好的体现,模拟不规则波波谱的缺点是耗时过长.由于真实海况下对海洋浮式结构物造成损坏的往往不是整个波浪时间序列,而是少数的几个大波或者波列中的波群.因此采用CFD方法准确模拟出既定的波列将会对了解极端海况下海洋结构物的损坏事故提供极大帮助.采用本文提出的方法成功模拟出了既定的极大波,这个方法的关键在于确定造波板的运动规律.类似按照波谱造波,文中将造波板处的波浪时历进行了分解,得到了若干个小振幅波,通过傅里叶级数法推导出了每个小振幅波的特征参数.同样采用水力传递函数确定每个小振幅波对应的推板振幅,之后将这些组成波对应的推板运动规律进行叠加得到了模拟不规则波波列时需要的推板运动规...