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.     

对波浪入射边界上反射波的消波及其验证

针对直接给定波浪入射边界条件时数值模型不能有效计算反射波的弊端,提出吸收入射边界上反射波的方法.该方法首先在离入射边界约1/2波长的范围内,计算入射波的理论解;然后将数值解减去理论解,得到真正反射波或由于数值累计误差所产生的伪反射波;再对反射波进行消波.结合非线性波传播数值模型,通过对水深均匀和具有水深复杂变化的台阶地形的水槽内波浪传播的数值模拟,说明所提出吸收入射边界上反射波的方法能有效消除反射波对入射边界的影响.     

基于曲线坐标系下缓坡方程模拟近岸波浪及波生流

为了更好地模拟曲线边界等不规则岸线附近,波浪传播及其破碎后形成的波生流问题,该文建立了正交曲线坐标下近岸波浪和波生流耦合数值模型;即采用可综合考虑近岸区波浪反射、折射和绕射等效应的双曲型缓坡方程计算波浪场,采用近岸深度平均的二维浅水方程计算波生流场,应用辐射应力的概念,使波浪模型为流场模型提供驱动力.波浪和波流模型基于相同的正交曲线网格,应用高效的ADI有限差分格式进行数值求解.将曲线坐标系下的耦合模型应用到半圆形水槽和凹型水槽两个物理模型中,数值模拟的结果分别和解析解、实验值及已发表的数值结果做了比较.模型实验验证表明,该文建立的数值模型比较准确、有效,可以应用到防波堤和河口等具有复杂边界和复杂地形的实际海域.     

直接法与间接法求解固角系数的比较

为提高边界元方法在工程计算中的效率,研究直接法与间接法求解固角系数的优缺点.以边界积分方程方法模拟非线性数值波浪水槽为例,分别用直接法和间接法求解固角系数.经与五阶深水斯托克斯波波面结果相比,两种方法获得的结果均与解析解吻合很好.但采用间接法求解固角系数时,计算域必须是封闭的,即便在计算域末端布置阻尼层消波,出流边界也不能省略.同时,随着计算域的增大,间接法求解固角系数的计算量较直接法大.总之,直接法比间接法更加方便经济.     

聚焦波与超大型浮体作用的非线性数值模拟

利用高阶边界元方法建立模拟聚焦波浪与弹性浮板作用的完全非线性二维时域数值水槽模型,其中指定2阶Stokes速度解析解产生聚焦波;采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体和结构表面变化,再利用梁自由振动的自然模态函数近似流固交界面的瞬时位移;使用4阶Runge-Kutta法更新水面及浮板位移和速度势.对比发现,该数学模型可以准确地模拟浮板在波浪作用下的水弹性响应和所期望的聚焦波浪.并进一步研究了浮板摆放条件、浮板厚度、聚焦波频率带宽和入射波幅对浮板水弹性响应的影响.     

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。     

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.     

波浪在半球上绕射的解析解

基于线性势流理论,推导了无限水深中波浪在半球上绕射问题的解析解.给出了球坐标系下无限水深入射波速度势的表达式;利用多极子展开法,以包含未知系数和连带勒让德函数的无限序列的形式给出了流场中绕射速度势的表达式;通过物面边界条件建立了方程组,进而求解了未知系数.计算了作用在半球上总的波浪激励力,并通过与利用Haskind关系得到的结果以及他人的数值结果进行比较,验证了文中结果的正确性.
     

三维波流数值水槽的构建方法

为了模拟波浪与水流的联合作用,基于Reynolds平均的Navier-Stokes方法,构建了一个三维波流数值水槽。使用该模型对不同出流边界条件进行了对比分析。结果表明:引入合理的入流和出流边界条件,可以保证在计算稳定后,水槽平均水面基本保持不变。垂向时均流速分布的计算结果与实验数据吻合良好。这表明:该波流数值水槽具有较好的波流特性,可用于计算波浪与水流、以及与三维固定结构之间相互作用。     

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.     

非线性波浪的数值模拟

为快速有效地模拟三维波浪问题,采用高阶谱方法建立了完全非线性波浪的数值计算模型.高阶谱方法是将速度势函数展开成Fourier级数的形式,通过快速Fourier变换求其空间导数,具有很高的计算效率和精度.把数值结果与五阶Stokes波理论解和聚焦波实验结果相比较,并计算了初始面升高引起箱体内液体运动问题,验证了所建立的数值计算模型的有效性.     

三维数值波浪水池技术与应用

建立了用于波浪-结构物相互作用数值模拟的三维数值波浪水池．应用VOF方法对粘性流动的基本方程进行数值求解并描述其自由表面，水池计算域的一侧使用数值造波机条件产生斜入射波浪，其下游开边界联合使用辐射条件和局部强迫衰减，侧向边界使用周期性条件使斜向波浪透过．数值试验表明，所建立的三维数值波浪水池产生和传播波浪具有良好的重复性和稳定性，应用于海洋结构物波浪荷载的确定也是可靠的．     

波浪对船剖面作用的时域计算模型

为了求港口中波浪对船的作用力，用边界元数值求解复速度势建立了波浪对船剖面作用的时域计算模型，采用满足运动学和动力学条件的半拉格朗日法跟踪流体的自由表面。推导了适用本数值模型的辐射边界条件，此边界条件和海绵层边界条件组成的出口边界条件，可以使波浪很好地被吸收或传播出去。数值计算结果和实验结果对比表明此模型能精确模拟波浪对船的作用力。     

深水Boussinesq方程数学模型建立与验证

通过引入四参数和非线性浅水方程至Kennedy等人推导的二阶全非线性Boussinesq方程中,改善了原方程的色散和变浅性能,并通过新方程建立适合较深水域的近岸波浪场数学模型,模拟了椭圆形浅滩地形上的波浪传播变形,从数值结果和试验结果的比较上看,该模型可以很好地模拟近岸波浪场的实际问题。     

水波传播的无网格数值模拟

在水波传播的数值模拟中采用了一种基于配点和径向基函数的无网格方法.采用Laplace方程的基本解作为径向基函数,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,从而自动满足控制方程,且不存在奇点,不需要求解积分方程.数值造波采用给定入射波面和速度势的方法,数值消波综合采用阻尼层消波和Sommerfeld辐射条件,非线性自由面的演化追踪采用二阶Taylor级数展开式.对线性规则波和非线性三阶Stokes波的模拟显示,数值结果与理论解吻合良好.表明无网格方法不但形式简单、计算速度快,而且稳定性和准确性令人满意,有望成为水波模拟问题的一种有效的数值方法.     

用ALE有限元法建立二维数值波浪水池

从ALE描述下的Navier-Stokes方程和连续方程出发,对数值波浪水池进行分析、通过对各种边界条件的处理建立了合适的二维数值波浪水池。通过对二阶Stokes波的探讨,阐明了此数值波浪水池是有效合理的。     

建筑结构动力分析有限元模型

为了正确处理结构—地基动力相互作用 ,改善以往固定边界模型将地震能量全部陷入结构计算模型的不合理状况 ,以框架结构为例提出了建筑结构地震反应分析的有限元模型及其透射边界。模型中采用四结点平面应力等参单元模拟上部框架结构的梁柱构件。地基采用平面应变四结点等参单元离散 ,在地基有限元网格中设置底部透射边界和侧面捆绑边界以考虑结构—地基的动力相互作用。算例表明上述建筑结构地震反应分析的有限元模型给出了合理的结构地震反应 ,可进一步应用于地震时结构几何与材料非线性响应直至结构破坏时的计算机仿真。     

Numerical study of the propagation of small-amplitude atmospheric gravity wave

By using a two-dimensional fully nonlinear compressible atmospheric dynamic numerical model, the propagation of a small amplitude gravity wave packet is simulated. A corresponding linear model is also developed for comparison. In an isothermal atmosphere, the simulations show that the nonlinear effects impacting on the propagation of a small amplitude gravity wave are negligible. In the nonisothermal atmosphere, however, the nonlinear effects are remarkable. They act to slow markedly down the propagation velocity of wave energy and therefore reduce the growth ratio of the wave amplitude with time. But the energy is still conserved. A proof of this is provided by the observations in the middle atmosphere.