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。     

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.     

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。     

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。     

二维数值造波水槽不规则波之数值研究

利用边界元素法所建立数值造波水槽探讨不规则波浪之造波与传递问题，以Lagrange法描述水粒子之运动并利用前进差分处理时间项之微分项。水槽一端为活塞推拉式造波板，运动方式以Mitsuyasu-Bretschneider之波谱造波，另一侧设有一段消波区以减少计算结果受波浪反射之影响。水面上选定若干个测点量取水位变化之历时，利用波谱分析水面上各测点之波谱并与原入射波波谱比较来探讨本模式之准确性。     

基于改进质量源造波方法的非线性波数值模拟

传统的质量源造波方法在强非线性波浪模拟过程中精度不高,不同波况造波源区初始设置较为复杂,针对这些问题本文提出了改进方法.考虑质量源区双向质量输出(横向和垂向),改进质量源源强函数并进行理论推导;基于OpenFOAM开源程序开展网格和时间步长收敛性验证;讨论在不同相对水深以及不同非线性强度条件下,二阶Stokes波幅值和相位与文献中传统方法模拟结果的相对误差,并对孤立波的传播过程进行模拟分析.数值模拟结果表明,改进方法不仅能提高效率,而且能提高质量源造波在较强非线性范围的模拟精度,尤其在非线性强度参数为0.2时,波幅及相位误差相对于传统方法分别降低21.7%和46.5%.     

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。     

两层流体中内孤立波质量源数值造波方法

以质量源为内孤立波激发源,加入连续性方程,结合完全非线性欧拉方程,以三类内孤立波理论(KdV、eKdV和MCC)的适用性条件为依据,发展了一种两层流体中内孤立波质量源数值造波方法.通过系列数值模拟,分析了质量源在释放和吸收流体过程中生成内孤立波的机理,讨论了内孤立波传播过程中波形、振幅及其诱导流场的变化特性.结果表明,基于所述方法得到的内孤立波在其传播过程中均保持波形稳定、振幅衰减小,数值模拟所得波形及其振幅与相关文献的实验及相应理论解吻合较好.     

波浪水槽的数值建模与计算分析

近年来,随着海岸工程的发展,数值水槽在相应科学研究中的地位越发地突出,并且成为了流体动力学研究的热点之一。基于流体力学的基本方程Navier Stokes(N-S)方程,早期采用VOF(Finite of Method)以及FVM(Finite Volume Meth-od)方法对求解区域进行离散与计算。但是随着计算规模的不断增加,上述方法的数据存储量及计算方程数目呈现非线性增长,已经难以满足工程需求。近年发展起来的ALE算法与SPH算法已经趋于成熟并以其计算的快速与高精度迎合工程需求。以ALE算法为例模拟二维的数值水槽,并将计算记录结果与非线性二阶Stokes波对比。对比证明ALE算法与理论解相一致。     

位移法浅水孤立波

浅水波的速度分布与z无关,表明位移也与z无关,相当于杆件的刚性横截面假定．采用物质坐标,用水平位移作为基本未知量,成为固体力学的非线性大位移问题．于是,分析力学的变分原理都可运用了,正则变换、近似解的保辛积分等有效手段可使数值求解方便很多,对干孤立波。则其方程已不再是KdV方程。但仍然得到了孤立波的解．从而是一种值得探讨的方法．     

两驻波叠加为行波的讨论及计算机动态模拟

一定条件下两驻波可叠加为行波。文章给出了相应的数学分析和C语言编程的计算机动态模拟。     

中国灾害性海浪研究进展

 海浪灾害是海洋灾害的重要组成部分,是各种海洋灾害中导致人员死亡或失踪的最主要致灾因素,是各种涉海工程设计、施工和运维工作必须考虑的动力因素,是中国海洋安全与保障工作必须面对的自然灾害。通过讨论灾害性海浪的常用定义和分类,评述了有关典型灾害性海浪特性的主要研究成果,总结了主要灾害性海浪预报业务化现状,提出了灾害性海浪研究尚存的主要问题和未来的研究方向。     

Simulation of the equatorial quasi-biennial oscillation based on the parameterization of continuously spectral gravity waves

On the basis of previous parameterization schemes, considering both the wave breaking and absorbed at critical level, a parameterization with a continuous spectrum of gravity waves is realized by introducing a momentum flux density function for the wave spectrum, and then the parameterization scheme of the gravity waves is improved. Choosing parameter values of the background atmosphere and waves based on the observations, a more realistic equatorial quasi-biennial oscillation (QBO) driven by the incorporated drag from the planetary and gravity waves can be simulated. The numerical results indicate that the forcing magnitude of the planetary and gravity waves varies with the wind field, and in some phases of the QBO, the contribution of the gravity waves is comparable with that of the planetary waves. After the QBO is steadily formed, its amplitude and period and wind configuration are relevant to the effect of vertical diffusion and the momentum flux distribution with spectrum, however, independent of the initial background wind field. Moreover, for any given nonzero initial background wind, a steady QBO can be finally generated due to the incorporated drag from the planetary and gravity waves. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40731055 and 40774085), the Innovative Research Team Project, Ministry of Education, the Knowledge Innovation Program of the Chinese Academy of Sciences (IAP07315), the China Meteorological Administration (Grant No. GYHY200706013) and the Open Programs of Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education     

非线性不规则波二阶分离模型

基于二阶波势流理论,建立了一个非线性不规则波浪二阶分离模型．通过求解频域内一、二阶成分之间的传递函数,建立起二阶项求解关系式,将二阶项变换到与一阶项同一个傅里叶频域空间,采用Newton-Raphson迭代方法分别求解出目标波浪中一阶、二阶和频与二阶差频．利用所建立模型分别对规则波和二阶非线性不规则波进行了数值验证,并对波浪非线性的影响进行了分析,典型数值计算结果表明模型是有效的．     

基于长周期谱值特征的人工地震波初筛与预校正研究

动力计算过程巨大的求解工作量,使得工程人员倾向于采用总持时较短的人工地震波,然而如此在某些状况下容易出现人工波生成效率与精度低下的问题.从地震动过程主要控制参数与目标反应谱间的匹配关系着手,尤其关注强震段持时的影响,从数值原理上分析了传统人工波生成失败或者精度低的原因.提出了以长周期谱值能否达到要求的初筛准则,据此提出了以长周期谱值作为控制依据的快速预校正算法,给出了具体算法框图.最后以算例的形式,验证了本算法的有效性,结果显示该算法从源头上有效地提高了人工波拟合的成功率与精度.     

Linear surface capillary-gravity short-crested waves on a current

One of the forward situations in the study of water waves is the basic three-dimensional surface wave motion of short-crested waves. Capillary waves result in rich effects concerned closely with remote sensing in the open ocean. Ocean currents experience a complete process in surface wave motion. Based on the above ideas, a linear dynamical system of surface capillary-gravity short-crested waves is developed by considering the current effects, thus leading to the following analytical expressions of the kinematic and dynamic variables： the wave height, the wave steepness, the phase velocity, the wave-particle velocities, accelerations and trajectories and the wave pressure. A number of the classical, typical and latest special wave cases can arise from these expressions.     

矩形板中应力波主波和次波的传播与反射

弹性应力波的修正理论指出关于体积应变的波动方程与现有理论一致,但发展了一组关于体积应变和偏应变的弱耦合波动方程。针对矩形板受侧向集中载荷冲击下应力波的波动问题,建立了应力波传播的两组控制方程以及加载面和自由面的波动边界条件。采用有限差分方法求解波动方程,数值分析了应力波关于主波和次波的传播以及自由面上斜入射波的反射过程。偏应变在传播过程中分裂为两部分,一部分与体积应变共同传播组成主波,另一部分传播较慢形成次波。数值模拟结果显示与冲击载荷下纳钙玻璃板中应力波的传播图像是完全符合的。