近岸波浪作用下污染物运动数值研究

近岸波浪是影响污染物输移扩散的重要水动力因素之一.波浪对污染物输移扩散的影响主要有波浪扰动造成的水体紊动系数的增大和波浪破碎后形成的波生流对污染物输移作用.结合基于波作用守恒方程和光程函数方程的近岸波浪模型、三维水动力模型,以及污染物输移扩散模型,对波浪传播过程中污染物离散系数变化以及波浪破碎后形成的波生流中的污染物输移进行了数值模拟.模型基于非结构化网格,可用于大范围波流以及污染物的耦合计算.数值结果与解析值以及实验结果进行了对比,验证了模型的精度和适应性.     

数值波浪水池中航行船舶绕射问题的数值模拟

基于计算流体力学（CFD）方法建立了数值波浪水池（NWT）,并对波浪生成传播和波浪中航行船舶波浪绕射问题进行了数值模拟.讨论了适合航行船舶绕射现象模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下NWT中波浪生成、传播和消波等,模拟计算了多个航速顶浪和斜浪航行的拘束Wigley III船模在不同波长的规则波中运动时所受的波浪力（矩）.通过与势流理论结果和Delft University of Technology（DUT）试验结果的比较显示,NWT方法计算的结果与两者的结果吻合良好;比实验更易实现和控制;能描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

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．     

波浪在潜堤上破碎的数值分析

为模拟潜堤上的波浪破碎,在高阶Boussinesq方程中引入二阶紊动粘性项,建立了考虑波浪破碎的Boussinesq数值模型.在非交错网格下利用预报—校正的有限差分法求解控制方程,其中预报采用了三阶Adams-Bashforth格式和校正采用四阶Adams-Mouhon格式.利用数值模型,通过数值试验,再现了波浪在不同坡度的潜堤上破碎演变过程.首先通过一组地形,将计算波面的时间历程与实验结果进行了对比,讨论和分析了二阶紊动粘性项中启动破碎的参数对数值计算结果的影响,给出模拟该问题时最优参数取值,进而通过其他两组地形的数值计算结果验证参数取值的合理性.     

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。     

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。     

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.     

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.     

基于分层Boussinesq类模型的孤立波爬坡模拟

 波浪爬坡是自然界中普遍存在的现象,是近岸防波堤等结构物设计需要考虑的因素。本文采用分层Boussinesq类方程对近海岸波浪爬坡开展数值模拟研究,采用有限差分方法数值离散二层Boussinesq类方程,建立数值波浪模型。根据Synolakis 1986年的物理实验,数值模拟孤立波在梯形水道上的爬坡,验证了分层Boussinesq方程波浪模型在该研究中具有很好的适用性和较高的精度。模型较好地预报了波浪爬高的变化趋势。预报的波浪爬坡高度大于实验测量值,主要原因是实际的底摩擦大于模型中的底摩擦。     

用改进的Boussinesq方程模拟潜堤上的波浪变形

研究了一种改进的Boussinesq方程,采用预报校正格式对该方程进行了数值离散,并对淹没潜堤上的波浪变形进行了数值模拟,从数值模拟结果和实测值的比较结果来看,该方程能较好地模拟波浪在潜堤上传播时波面的变形过程,可以用于实际中的波浪问题计算。这种改进的Boussinesq方程本身及其求解方法需做进一步的完善。研究结果为实际应用Boussinesq方程来研究复杂地形上的波浪传播提供一定的理论指导。