二维数值波浪水槽在FLUENT中的实现

为在波浪水槽内得到稳定的、重复性良好的波动过程,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用VOF方法追踪自由面,利用CFD商业软件FLUENT建立同时具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽.基于线性波浪理论和UDF实现动边界造波和定义水质点速度造波,同时,在数值波浪水槽尾端通过在动量方程中添加附加源项的方法实现动量源消波.计算结果表明,基于FLUENT软件实现的二维数值波浪水槽工作特性良好.     

数值波浪水槽造波技术及工程应用研究

本文在充分了解数值水槽模型、数值造波、消波理论基础上,不仅分别利用设置造波边界法和质量源项法在Fluent软件中模拟出较为有效的线性波和弱非线性的二阶Stokes波,还将建筑物添加到所构造的波浪数值水槽中,利用波浪数值水槽不拘泥于特定波浪的特点,按照有已知实测资料的波浪和建筑物相互作用的波浪水槽进行建模,提出了适合不同建筑物和不同造波方法的网格构建方法,优化了水槽的构建,并验证了水槽的有效性,最后分析了两种方法的优缺点及适用性。本文研究成果为波浪与建筑物相互作用的深入研究奠定了基础。     

基于OpenFOAM的数值波浪水槽研究

使用设置造波边界法和质量源造波法建立了数值波浪水槽,采用阻尼消波法进行消波.设置造波边界法根据行波的解析解或数值解来给定边界上的流速和波高值.质量源造波法是在水槽中特定位置,将质量源项加入到质量守恒方程中.使用该数值水槽模拟了线性波浪和二阶Stokes波,并与理论解进行了对比,结果显示两种造波方法都能有效模拟行波.设置造波边界法必须指定速度和波面边界,不适用于波流相互作用等边界未知的情况,而源造波法则能适用.但是由于源造波法需要在两端设定造波区域,计算区域更大,其造波效率低于设置造波边界法.     

源造波法在三维完全非线性数值波浪水槽中的应用

为消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遇到结构物后在入射边界形成的二次反射,基于时域高阶边界元方法建立三维完全非线性数值波浪水槽模型:利用源造波法产生入射波浪,采用人工阻尼层技术消除波浪反射及二次反射;建立水槽的格林函数并应用于整个计算域,消除水槽两侧壁和底面的积分,减少了计算量.利用所建模型分别对规则波和不规则波的数值实验表明,数值结果与理论解吻合良好,且在出流边界和入射边界均无反射现象.     

基于光滑粒子方法的推板式波浪水槽实验研究

波浪数值水槽是波浪研究方面的一个十分重要的实验装置。目前针对造波水槽所展开的数值或实验研究,多将造波系统的设定参数作为波浪的参数,而未考虑设定参数与实际参数之间的误差。本文利用推板造波的实验装置进行造波,并借助视频拍摄来捕捉造波板的运动,而波浪参数则由波高仪的数据采集来得到。推板造波的过程,则用光滑粒子方法来进行数值模拟。造波过程中,造波板的运动同样采用实测的参数,并计算了不同时刻的波形曲线和水面高度随时间的变化。光滑粒子的模拟结果与实验结果比,吻合的非常好。     

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。     

基于广义预测控制的主动吸收造波

通过最小二乘法支持向量机对主动吸收造波模型进行在线辨识,基于广义预测控制算法提出一种新颖的主动吸收造波策略.采用高阶边界元法与自由面混合欧拉拉格朗日模型建立二维推板造波数值波浪水槽,将预测控制器的输出作为造波边界条件,进行了不规则波主动吸收造波仿真对比试验与白噪声波谱的验证试验,并采用波浪入、反射分离算法进行分析.结果表明:预测控制器具有较好的鲁棒性和快速响应能力,对于模型试验中常用的波浪具有良好的主动吸收造波效果.     

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.     

基于潜堤地形上的波浪传播模拟

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Navier-Stokes方程。应用GAMBIT建立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,形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。建立潜堤地形下的波浪水槽模型,模拟潜堤地形下的波浪传播,其结果与实验值对比吻合良好,验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。     

黏性水波场和水平方柱波浪载荷的数值模拟

随着海洋工程的快速发展,作用在建筑结构上的波浪力问题得到了广泛的重视．以N—S方程为控制方程,VOF法追踪自由面,通过在动量方程中加入简单动量源,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,模拟了水平方柱的波浪受力．通过实验验证：采用1倍波长造波区源项造波效果较好,解决了计算域内障碍物的二次波浪反射问题;光滑水平方柱的Morison公式推荐系数为CD=2．05和CM=1．9;作用于柱体上的黏性剪切力很小,可以忽略不计．表明建立的数值波浪水槽可用于水平方柱的波浪受力模拟。     

大水槽造波机电机力矩与造波参数的关系分析

基于交通运输部天津水运工程科学研究院全球最大的大比尺波浪水槽造波机,在微幅波理论的基础上推导推板式造波机控制方程;并进一步推导造波机电机力矩与造波参数之间的关系,分析板前推进波、板后雍水、机械摩阻以及推波板运动的受力与对电机驱动力矩的组分大小和变化规律,从理论上得到电机力矩的变化范围、规律及消减平缓方法,为下一步研究基于力矩反馈的主动式吸收造波提供理论依据。     

破碎波作用下砂质海床孔隙水压力响应试验

通过波浪水槽试验,研究规则波在1：30斜坡砂质海床上破碎时海床超静孔隙水压力响应规律,观察波浪破碎处的地形变化,并分析其形成原因.试验结果表明,在波浪破碎前后超静孔隙水压力有着明显的不同变化,破碎点处距底床表面最近的超静孔隙水压力值在整个过程中达到最大,且破碎带处超静孔隙水压力竖向衰减幅度均比破碎前、后要大,破碎点的超静孔隙水压力有明显增大;破碎前后超静孔隙水压变化与浪高变化呈正相关趋势,且破碎后两者的相关性没破碎前好;波浪破碎处地形变化剧烈,超静孔隙水压力在沙床顶部的变化较底部变化明显.砂层掏刷时,超静孔隙水压振幅变大;砂层堆积时,超静孔隙水压振幅变小.     

基于非静压方程的波浪破碎模拟

在保证数值精度的基础上,为了提高非静压波浪模型在近岸波浪传播破碎模拟中的计算效率,基于非静压方程模型(SWASH)建立了近岸波浪破碎数值模型.数值模型通过将描述波浪破碎的非静压方程退化为非线性静压浅水方程并引入波浪破碎后能量衰减的紊动模型以减少模拟破碎时的垂向分层数.利用斜坡、潜堤以及沙坝上的波浪破碎水槽实验对模型进行了验证.结果表明,所建立的模型只需要在垂向划分较少的网格层数,即可合理地描述波浪破碎点位置和破碎后波高,进一步提高了非静压波浪模型在实际工程应用中的吸引力和竞争力.     

直立式防浪墙对单坡斜坡堤越浪量分布的影响

考虑到国内普遍带有防浪墙的斜坡堤在风暴潮下受到最大越浪量的破坏威胁,采用波浪水槽试验测定了破碎波情况下单坡带有直立式防浪墙上的单波越浪量,基于现有的单坡无防浪墙的越浪量分布计算公式,引入防浪墙影响因子,推导出单坡带有防浪墙的越浪量分布形状参数和越浪概率的计算公式.研究结果表明,越浪量分布形状参数、越浪概率都与相对出水高度、防浪墙相对高度有关.随着防浪墙相对高度的增大,形状参数呈指数增大趋势,而越浪概率呈指数减小趋势.研究结果可为海堤设计提供参考.     

珊瑚礁地形上胸墙波浪力大水槽试验

基于大比尺波浪水槽试验,开展了珊瑚礁地形上的波浪与斜坡堤相互作用试验。在不同水深和波浪条件下测量斜坡堤胸墙的水平力和浮托力,并与规范值进行对比。试验结果表明:胸墙的波浪力受波浪破碎后的堤前壅水、破碎波高和水流冲击的共同影响;胸墙水平力呈矩形分布,浮托力呈三角形分布;由于波浪在珊瑚岛礁上传播过程中的能量耗散,平均水平力和前趾浮托力试验结果均小于采用深水波要素计算的规范值,所提出的基于胸墙距礁缘的相对距离和礁盘上相对水深的波浪力修正系数,修正后的公式计算结果与试验值吻合较好。     

浅水波能谱试验研究

对比天然风浪和试验风浪的风场特点，确定了两者特征风速间的换算关系，采用人工风与不规则造波机相结合的方法生成，模拟风浪，延长了试验条件下风浪成长所需的风区长度，在此基础上，利用试验研究的优点，完成了较大范围浅水风浪试验，对浅水波能谱进行了深入探讨。研究表明，比较深水情况，浅水域波能的谱的谱峰变小，谱形更加尖窄，反映出波能趋于集中的特点，对于浅水，给出了波能谱的表达式。     

波浪作用下油脂冰内溢油行为物理模拟实验技术

为在实验室条件下研究波浪-油脂冰、波浪-油脂冰-溢油的相互作用,建立了与化学实验室相应水平量级的物理模拟实验技术.设计制作了微型波浪实验水槽,用化学实验室的振荡台作为动力源;水槽经过保温处理,能够在低温实验室使用;物理模拟水槽及测试设备等所使用的玻璃和塑料材料对溢油没有吸附.利用图像分析技术给出波浪要素.实验技术可控制油脂冰在波浪作用下总量保持不变.通过对系列实验结果分析,得到油脂冰制备温度条件以及波长、波高同振荡台传动臂调节孔位置、频率和水槽水深的关系,实现了对实验油脂冰厚度和波浪要素的控制.整套实验技术可以开展波浪、油脂冰与溢油相互作用的物理模拟.     

聚焦波浪对直立圆柱作用的试验研究

为研究聚焦波浪对直立圆柱墩的作用情况,根据波的传播原理,采用JONSWAP谱生成不同参数下的聚焦波浪,用波峰波谷聚焦相加减的方法分析出聚焦波浪对直立圆柱墩的二阶绕射作用强于一阶波浪的绕射作用.波浪涌高数据统计分析表明:波浪涌高随波陡及结构物相对尺度的增大而增大;圆柱周围不同受浪角度的涌高也是变化的.     

海堤波浪溢流量的分布特征及估算方法

基于大型水槽试验结果，分析了不同海堤相对出水高度的波浪溢流量特征并进行分类；依据此分类方式，使用韦伯分布对大型水槽试验测得的波浪溢流量进行拟合，研究单个波浪溢流引起越堤流量的分布和瞬时越堤流量的分布，提出了新的经验公式。结果表明，新的经验公式与现有的方法相比提高了对波浪溢流过程中单个波浪溢流引起越堤流量和瞬时越堤流量分布的估算精度。     

人工水草缓流和消波研究

根据室内水流试验和波浪槽试验资料,详细分析了人工水草的缓流和消波特性。研究表明：人工水草草屏的疏密度,排距,相对草高和草场长度对缓流和消波效果有明显影响;适当提高水草疏密度、减少排距,增加草场长度,可获得较好的缓流及消波效果。研究成果为现场布置人工水草场提供了设计依据。