基于动网格方法的孤立波数值造波研究

基于动网格方法,用模拟推板造波机的方式,在数值模型中产生孤立波.首先经过推导,给出了造波边界的运动公式;之后讨论了网格在水槽长度和高度方向上的尺寸对孤立波模拟效果的影响.数值模拟结果表明,该方法能够较准确地产生目标波浪,并且没有明显的尾波,说明该方法是行之有效的.     

基于FUNWAVE-TVD模型的岸礁次重力波数值模拟

为了研究不规则波条件下岸礁上次重力波的传播规律,采用完全非线性的Boussinesq数值模型FUNWAVE TVD对波浪水槽的物理模型试验进行了数值模拟。在对短波、次重力波有效波高与时均水位模拟结果验证的基础上,采用互相关分析与小波二阶谱研究了次重力波的生成、传播过程及相关的非线性能量传递。结果表明：礁前次重力波从谱峰频段获得能量;礁前斜坡上水深变浅时,非线性作用加剧,更多波能从谱峰频段传至高频段与低频段并伴随着约束波的成长;礁坪上次重力波主要由破碎点移动产生,礁坪末端能量传递主要发生在低频段之间。     

重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟——I．水平风场为均匀风场

采用全隐欧拉格式(FICE)对重力波波包在均匀风场中的三维非线性传播进行了数值模拟，给出了波包在三维空间中非线性传播的过程，分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响。计算结果表明：波振幅随高度的增加而增长，但比线性条件下的指数增长要慢；波包非线性传播的路径和能量传输速度不同于线性重力波理论给出的结果，非线性效应在顺风场中比在逆风场中更显著；风场会改变重力波传播的路径和速度。     

基于COSMIC RO数据分析青藏高原下平流层重力波的活动特征

重力波的传播及其动力学效应对下平流层的大气环流具有重要影响,通过高时空分辨率的观测资料获取下平流层重力波的相关参数,有利于提高大气循环模式的预报精度和可靠性。利用2006年8月至2016年7月COSMIC (the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)掩星(Radio Occultation, RO)任务反演的干温廓线,通过S变换,纬向滤波等处理,提取表征重力波活动的参数——势能。以此分析了青藏高原重力波的垂直分布特征和空间分布特征。青藏高原上空的重力波势能存在明显的先减小后增大的垂直分布。对流层顶以下的势能因较小的浮力频率而异常较大;在对流层顶至0风场线,强西风促进重力波的向上传播,势能值相对较大;0风场线对地形激发的准静态重力波存在过滤作用,势能值在0风场线处急剧减小;36 km以上的重力波势能受到强西风的影响而异常增大。青藏高原下平流层的重力波活动有明显的季节变化,重力波活动在冬季较强,夏季较弱。在18～20 km、20～22 km高度,重力波势能的分布在春季、夏季、秋季相...     

重力波与不同背景风场之间的非线性相互作用

采用二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式和线性重力理论，研究了重力波在反向和同向(是指风场方向与重力波水平相速度方向相反和相同)背景风场中的传播过程. 结果表明：反向背景风场将拉伸重力波的垂直波长，加速重力波的上传，这一效应导致重力波在较短的时间内上传到较高的高度上并发生不稳定，引起背景风场产生反向射流. 反向射流经过非线性波流相互作用导致重力波的垂直波长逐渐变短. 重力波在同向背景风场中传播时，其垂直波长和群速度都减小，推迟了重力波发生不稳定的时间. 虽然大部分重力波被限制在同向风场中的不稳定区域内，但在不稳定区域上方仍有部分重力波继续稳定地向上传播. 对重力波在反向和同向背景风场中的非线性传播情况的模拟发现，与重力波在同向背景风场中的传播情况相比，重力波与反向背景风场之间的非线性相互作用也非常强烈，而不像经典线性理论预测的那样可以自由传播，并且重力波在反向背景风场中传播时的垂直波长与线性理论预测的结果差别很大.     

正则化长波方程孤立波的数值模拟

构造了求解正则化长波方程的一种Fourier－Galerkin－CenterEuler全离散格式，该格式具有质量与能量守恒性质和保持原微分方程结构等优点．证明了半离散和全离散格式解的存在唯一性，并得到误差估计式．此外，给出了两个数值例子，使用文中提出的全离散格式成功地模拟了单孤立波的传播和双孤立波的碰撞过程．     

双向孤立波问题的数值方法研究

进行了各种数值方法的实验研究 ,最终设计了leapfrog型差分格式和基于小模板的Pad逼近格式 ,求解了KdV型的双向孤立波二元方程组Ut F(U) x =cUxxx .并分别运用了滤波和隐式求解的技巧处理非线性色散方程组差分格式不稳定的问题 ,获得了比较满意的的数值结果     

变系数WBK浅水波方程的多孤立波解

用齐次平衡法给出了变系数WBK(Whitham Broer Kaup)方程的若干精确解,其中包括多孤立波解.结果表明,在一定条件下,方程的系数不改变波的振幅,却改变波的传播速度;但在某些条件下,方程的系数不但会改变波的传播速度,而且直接影响波的振幅.     

Numerical Simulation on Stratified Flow over an Isolated Mountain Ridge

The characteristics of stratified flow over an isolated mountain ridge have been investigated nu-merically. The two-dimensional model equations, based on the time-dependent Reynolds averaged Navier-Stokes equations, are solved numerically using an implicit time integration in a fitted body grid arrangement to simulate stratified flow over an isolated ideally bell-shaped mountain. The simulation results are in good agreement with the existing corresponding analytical and approximate solutions. It is shown that for atmos-pheric conditions where non-hydrostatic effects become dominant, the model is able to reproduce typical flow features. The dispersion characteristics of gaseous pollutants in the stratified flow have also been stud-ied. The dispersion patterns for two typical atmospheric conditions are compared. The results show that the presence of a gravity wave causes vertical stratification of the pollutant concentration and affects the diffu-sive characteristics of the pollutants.     

Transport of Yellow Sand in Stratified Flow over an Isolated Mountain Ridge

The transport of yellow sand over mountain regions in the presence of internal gravity waves has been investigated numerically. The motion of yellow sand particles has been simulated in a Lagrangian frame of reference by solving the time-dependent Reynolds averaged Navier-Stokes equations. An implicit time integration in a fitted body grid arrangement was used to simulate the stratified flow over an isolated ideally bell-shaped mountain. The transport and deposition of particles of various sizes, and of the altitudes where particles were released have been analyzed. Particular attention was given to transport patterns of different sized particles in various atmospheric conditions. The results show that the particle size and the re-lease altitude are both important factors in determining the trajectories of the particles. Small particles tend to be transported a long distance over the mountains, whereas heavier particles settle down around the re-lease source. Due to the existence of an internal gravity wave, the particle release altitude affects the trajec-tory of the particles. The analysis and results provide a very useful tool for the study of atmospheric flow and transport of pollutants over real topographies.     

平流层全球重力波活动的COSMIC观测研究

本文利用从2007年1月到2013年2月的COSMIC（Constellation Observation system for Meteorology,Ionosphere and Climate)温度数据,分析了平流层（20-35 km）的全球重力波活动及其随纬度、高度和季节的变化特征,揭示了平流层不同纬度重力波活动的中期变化规律。以及重力波振荡周期随纬度的变化。赤道地区重力波全年活动很强,且存在明显的准两年振荡(quasi-biennial oscillation,简称QBO)。在 〖20〗^° S-〖20〗^° N 的重力波势能极大值区与强对流区域保持一致。中高纬地区重力波都主要表现为冬季强夏季弱。中纬地区,两个半球冬季陆地上重力波活动强于海洋,且南美洲南部安第斯山每年除夏季外都有较明显的重力波活动。高纬地区,南半球冬季重力波分布保持稳定,而北半球则在某些区域增强,某些区域较弱,这一现象可能是与SSW（Stratospheric Sudden Warming）相关。通过LS谱图分析,我们发现QBO主要出现在平流层低纬地区,AO（annual oscillation,简称AO）和SAO（semiannual oscillation,简称SAO）则主要出现在平流层中高纬地区。     

船舶兴波流场mj求解的边界元计算方法

船舶前进定常兴波对非定常水动力问题的影响，在物面边界条件中通过所谓的mj项体现出来。由于mj项含有定常兴波势的二阶导数，给实际计算带来困难。本文将边界元方法求解叠模流场mj项的技术进一步扩展到定常兴波流场mj项的计算。并以潜体为例给出计算结果。     

多孔底面轴对称二相重力流的数值模拟

对于具有多孔介质底面的轴对称二相重力流,引进基于浅水近似的控制方程和相应的边界条件,采用贴体坐标变换使运动边界问题化为固定边界问题,提出了基于特征插值并结合使用梯形积分公式和Newton-Raphson迭代法在时间和空间都具有二阶精度的数值边界条件．为检验格式的性能和避免编写程序时可能出现的错误,对类似的方程构造了一类精确解．在空间上采用了二步Lax格式、二阶TVD格式、三阶ENO格式及五阶WENO格式,在时间上采用了二阶及三阶的TVD-Runge-Kutta方法对该问题进行数值模拟．数值结果表明,在解的光滑区域,这几种格式的精度都很高,但是在大梯度区,二步Lax格式将会产生强烈的数值振荡,且振荡不会随网格宽度的减小而减小,而其他3种格式将不会或仅会产生幅度要小得多的数值振荡,且振荡会随网格宽度的减小而趋向于零．对实际应用目的来说,结合使用二阶TVD-Runge-Kutta方法的二阶TVD格式是一个经济而又适当的选择．     

绕翼型低雷诺数流动的数值仿真

层流转捩到湍流及翼型表面分离泡的产生是绕翼型低雷诺数流动的重要特征,对流场产生很大影响。针对这一流动现象,选取E387翼型为研究对象,采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,结合当前应用较广泛的Spalart-Allmaras,SST k-ω,Realizable k-ε三种湍流模型,对雷诺数为300000时翼型绕流流场进行了数值模拟,并将结果与Selig等人的风洞实验数据进行对比,评估三种湍流模型对绕翼型低雷诺数流动的模拟能力。基于对翼型阻力计算不准原因的分析,提出了一种基于Michel转捩判据的数值模拟方法,分别从分离泡的模拟、壁面摩阻分布、翼型阻力系数等方面与实验数据进行对比,结果表明该方法可以较好的模拟低雷诺翼型绕流流场。     

脉冲激光线源热弹激励的圆柱表面波声场

将脉冲激光线源的热弹激励等效为一横 (S)波源的切变效应 ,导出了光激圆柱声场的积分表达式 ,采用留数理论进一步得出了圆柱表面Rayleigh波声场的表达式 ,用数值求导和快速傅立叶变换 (FFT)技术数值计算了铝圆柱Rayleigh波的瞬态位移波形 .计算结果表明 ,圆柱Rayleigh波在传播距离较小时 ,与平界面Rayleigh波相似 ,随传播距离的增加 ,由于频散加剧 ,Rayleigh波形状、相位逐渐发生变化 .     

随机波波生流的数值模拟

为了更合适地反映实际海浪的随机性,作者采用随机波折射－绕射模型和波生流模型对近岸海域中的波生流进行数值模拟,探讨不同条件下随机波波生流的流场结构。通过计算发现除地形对随机波波生流有明显影响外,波生流的大小同入射波高及波浪破碎关系密切,其流向特别是离岸流的位置与入射波向有关。     

输电线路所处复杂地形的风场数值模拟

输电线路在强风尤其是台风作用下极易受损。为了评估线路在台风中的风险,需要确切得知线路中各个位置的风速。采用计算流体力学方法,对台风中受损线路所处的复杂地形进行建模,获得高分辨率的风场信息。使用风速比来评估地形对风场的影响,数值模拟结果显示复杂地形能够显著影响不同区域的风速大小,导致不同的输电塔所受风荷载的巨大差异,从而解释了特定区域发生倒塔事故的原因。     

激光热弹激励流-固界面波声场的数值模拟

利用热弹体运动方程和热传导方程耦合问题的变换域解,求解其极点留数的解析表达式.通过数值求根方法,得出铁-水、铝-水、铁-空气、铝-空气这4种流-固界面波的速度值,从而得到4种界面各界波相应的极点留数值.用快速傅立叶变换(FFT)技术得到脉冲激光线源热弹激励时流-固界面波瞬态位移波形.计算结果表明,这2种界面波不但存在于液-固界面,而且存在于气-固界面,但这2种流-固界面上波成分的相对幅度、脉冲持续时间不同.