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.     

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。     

孤立波在复合斜坡上浅水变形的CIP模拟

基于约束插值剖面(CIP)方法建立二维数值水槽,用更接近实际地形的复合斜坡来模拟岸坡,将波浪-岸坡-空气的相互作用问题通过多相流模型进行求解.运用双曲正切插值(THINC)法捕捉自由面,虚拟粒子法重构物体表面,对孤立波的近岸变形、破碎和水气掺混等强非线性复杂现象进行了分析.首先,对建立的数值水槽的造波性能进行了验证;然后,针对不同入射波高的孤立波在复合斜坡上的行进和演变展开了模拟,分析了孤立波在复合斜坡上的演变过程,并与相应的实验结果进行了对比,符合较好;最后,探究了复合斜坡的转折点对自由面抬升和速度场的影响.结果表明基于CIP法建立的数值模型可以很好地模拟孤立波在复合斜坡上复杂的浅水变形过程.     

圆柱在波浪中入水的数值模拟

为了研究波浪对圆柱入水过程的影响,采用二维CFD(Computational Fluid Dynamic)方法数值模拟了圆柱在规则波中的入水过程.该方法采用自由液面捕捉法和直角切割网格系统分别处理自由液面和物体动边界,结合推板造波和海绵阻尼消波原理而实现数值造消波,并分析波浪参数(波高、周期和圆柱入水时的波浪相位)对圆柱入水动力特性的影响.以在波浪中的起重船上悬吊圆柱入水作为工程应用实例进行数值模拟,研究不同工况下绳索的张力变化和重物的运动特性.     

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.     

摇板式造波机性能实验研究

通过改进后的水池造波系统对工程中常用的规则波和二维非规则波浪的模拟试验，研究了该造波系统的最大造波能力、波浪总谐波变形以及对随机波浪谱的模拟精度等波浪模拟性能．测试数据表明，该造波机控制系统经过技术改进，恢复了二维规则波的模拟功能，提高了造波品质，完全满足船模耐波性试验的要求，可应用于实际工程项目之中。     

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.     

二维数值波浪水池中的潜体绕射试验

在摇板式造波机生成的二维数值波浪水池中进行了潜没圆柱的模拟绕射试验。先在频率域中确定造波机的运动形式 ,并在时间域中模拟摇板运动生成带有波前的高品质Stokes波的过程 ,作为入射波条件。数值造波和数值绕射试验采用边界积分方程的时间步进法 ,探讨了在自由面和板面交点处自由面条件与物面条件的相容性、开边界辐射面边界条件、时间与空间域上的数值离散方法等 ,得到了稳定、合理的波形和波浪力时域非线性结果 ,并与相应的频域二阶解的结果作了比较 ,证实了本数值波浪水池试验方法的适用性。     

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.     

基于边界造波法的波浪数值生成

一般边界造波法只是用来生成线性波,至于边界造波法对不规则波、孤立波和强非线性波等是否适用,并没有做过多分析与研究。基于线性波、二阶Stokes波以及孤立波的速度和波形解析表达式,采用边界造波法,借助FLUENT软件中的用户自定义(UDF)功能,通过二次开发在FLUENT中实现波浪的模拟,并对它们的数值解与解析解做出比较,以此来验证边界造波法的适用性。计算结果表明,该数值水槽能有效模拟这三种波浪。     

孤立波与梯形防波堤作用的CIP模拟

建立了基于CIP(形线约束插值)方法的二维波浪数值水槽,模拟了孤立波与斜坡上梯形防波堤作用的强非线性过程与现象,分析了水深变化对流场的影响.首先,建立了数值模型,基于CIP方法,流场求解器采用多相流模型处理波-物相互作用,运用THINC (双曲正切界面捕捉)方法进行自由液面捕捉.然后,进行收敛性测试,将基于CIP算法的数值模拟结果和试验结果进行了对比.最后,探究了水深对孤立波与梯形防波堤作用的影响.保持相对入射波高一致,分析了不同水深对水动力、自由面抬升和流场的影响.通过展示自由面抬升达到最大值时刻的速度矢量分布和涡量场,以及水动力极值出现时刻的压力分布,分析了六种特殊时刻的流场特征.研究结果表明基于CIP算法的数值模型模拟结果与试验结果符合较好.     

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。     

波浪与斜坡堤护面块体相互作用的SPH-DEM数值模拟

基于SPH方法和离散单元法(DEM)建立了二维流固耦合数值模型,模拟了波浪作用下斜坡式防波堤护面块体的水动力变化特性.流体模型采用经黎曼接触算法和CSPM修正后的SPH方法,水槽固壁和造波边界以及结构物边界采用固壁粒子法处理.离散护面块体的运动和受力采用DEM方法来模拟.流体与固体的交界面处满足界面力平衡条件.应用所建立的二维SPH-DEM耦合数值模型模拟了波浪与斜坡堤护面块体的相互作用,分析了波浪爬坡过程中的流场变化以及波压力沿胸墙的分布规律.物理模型试验验证了所建立的数学模型.     

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.     

实验室造波设备及波浪模拟技术的探讨

介绍了实验室的造波机系统和造波特性及其在模型试验中的应用,并讨论了实验室内模拟海浪的检验标准及其方法,水槽模拟海浪的检验结果表明,本造波机系统能够准确地模拟波浪,规则波的叔高横向误差小于２％,波高重复误差小于１．２８％,周期重复误差小于０．２％;不规则波的平均波高误差小于４．８７％,平均周期误差小于４．５９％,波高重复性误差小于１．８７％,波高横向误差小于３．７１％,波谱拟合较邹,均满足“波浪模型     

破碎波对直墙建筑物的作用

应用二维数值波浪水槽模型,计算了某实际工程防波堤上的破波压力分布,并与试验结果与规范方法进行了比较。为减少小造波边界的二次反射影响,在水槽左端设可吸收式造波机数值边界条件。     

波浪对船舶碰撞影响研究

船舶碰撞多发生在一些比较恶劣的海况下,事实上碰撞过程是碰撞作用和外部环境荷载作用的耦合.基于非线性有限元方法,建立了考虑波浪作用的船舶碰撞模型,对碰撞过程进行了数值仿真模拟.将有无波浪存在下的碰撞结果进行了对比,并分析了波浪波高以及波浪入射角度对被撞船舷侧结构的影响.结果表明,在一定情况下波浪对碰撞过程有不利的影响,并从工程角度给出一些指导建议.     

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。     

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.