应用二阶完全非线性Boussinesq方程模拟破碎波浪

建立了基于高阶Boussinesq水波方程的一维波浪破碎数值模型。基于一组具有二阶完全非线性特征的Boussinesq水波方程,建立了交错网格下的高精度差分格式,推导了适用于该组方程的永形波解析解,其和松弛造波技术相结合实现了数值波浪水槽中(强)非线性波浪的无反射入射。通过模拟封闭容器内水体晃动问题对数值格式进行了验证,通过模拟孤立波在斜坡海岸上的浅化过程说明了将方程从弱非线性发展到完全非线性的必要性。采用涡粘方法处理波浪破碎,利用物理模型实验数据,分析了模型中各波浪破碎参数对数值结果的影响并对参数进行了率定。应用该模型对规则波在斜坡海岸上的传播、变浅以及破碎过程进行了数值模拟研究,数值结果同实验数据吻合良好,验证了模型的有效性。     

非线性波浪变形计算的三维边界元方法

采用0-1混合型边界元剖分计算域边界面,以提高边界元方法模拟三维波场波浪变形问题的数值计算精度。采用Spongelayer阻尼消波和Sommerfeld放射条件相匹配的边界处理方式,以消除计算域内的反射波。借助时域内的波面位置追踪,实现了三阶Stokes波在数值波动水槽中的波浪变形计算,其结果吻合于理论值。     

远破波作用数值模拟的CLEAR-VOF模型

在非结构化网格基础上,采用三阶精度的三步有限元方法离散N-S方程,CLEAR-VOF方法追踪运动水体自由表面,建立了数值波浪水槽模型.模拟了远破波冲击位于倾斜底坡上直立堤的过程.对直立堤上波压力和堤前流场的数值结果与模型实验结果做了比较.结果表明,远破波波浪力和流场的数值结果同PIV实验结果吻合较好,该数值波浪水槽模型可较好地模拟远破波的破碎冲击过程.     

浅水非线性长波的数值模拟与实验研究

从数值与实验两方面研究了非线性长周期水波———椭圆余弦波在浅水中的传播。根据造波板作椭圆余弦波运动速度,推导出数值模拟波浪水槽时固定入射边界上的二阶入射边界条件,计算结果表明,二阶入射边界条件对波浪的预报结果比一阶入射边界条件对波浪的预报结果更为精确。对二阶入射边界条件计算结果和实验结果的波面升高时间历程进行傅里叶分析表明,各次谐波幅值沿波浪传播方向作周期性变化,只是变化程度较小;但入射边界条件为一阶时则没有这种现象。     

波生沿岸流数值模拟

为了更好地研究近岸海域波生沿岸流,建立了基于高阶Boussinesq水波方程的波生沿岸流时域数值模型。控制方程在中等水深范围内具有较好的色散性和变浅作用性能,同时具有二阶完全非线性特征,适合描述近岸区域波浪强非线性运动。通过采用松弛造波方法实现了非线性波浪的无反射入射,采用周期性侧边界条件模拟开敞边界。通过数值试验,讨论了模型中主要参数对数值结果的影响。利用率定后的参数模拟了均匀坡度海岸上产生的沿岸流,通过和实验数据的对比验证了模型的准确性和适用性。利用模型数值模拟了不同波浪入射条件(包括周期、波高和波浪入射角度)对波生沿岸流的影响。     

实现复频移完全匹配层吸收边界条件的递推卷积方法

完全匹配层吸收边界（PML）已经被证明是非常有效的边界吸收技术,对体波和面波的吸收都具有非常好的效果,已经被广泛应用于弹性波的数值模拟中。但是在某些情况下传统的PML技术还是存在一定的问题,比如对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波的吸收等等。在坐标变换中采用复频移拉伸函数的复频移PML可以有效地改善PML边界条件的吸收性能。基于弹性波一阶速度-应力方程,推导了复频移PML的递推卷积实现方法,并采用交错网格高阶有限差分法对其进行了数值模拟,与传统的PML进行了对比。结果表明：传统的PML对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波吸收不足,会产生虚假反射,影响真实波场;而基于递推卷积的复频移PML算法能够有效地改善困难情况下的吸收效果,并且在实现过程中不用分裂变量,应用更加方便简单。计算卷积时采用递推的形式,推导过程直观易懂,易于编程,而且不会增加计算量,存储量也没有太大的变化。     

冲刷漏斗纵剖面形态数值模拟技术研究

提出σ坐标系垂向分层的优化方法,较好地解决了传统σ坐标变换用于底孔泄流数值模拟时存在网格边界变化的问题;采用一维水流模型为立面二维模型提供自由水面边界,即"动刚盖法"确定自由表面;根据坝前趋孔水流的流动特性和水下纵坡稳定性受力分析,分别导出σ坐标系下床面泥沙边界条件和底孔泄流初期河床滑塌的判别式。在此基础上建立底孔泄流条件下立面二维水流泥沙数学模型,并将之应用于有刚性护坦条件下冲刷漏斗形成的数值模拟。模拟结果表明,漏斗冲刷平段长度、漏斗纵坡等数值试验结果与水槽试验基本一致,验证了模型的合理性和可靠性。     

波动方程模拟PML吸收影响因素分析

地震数值模拟中,完全匹配层(PML)边界能有效地吸收衰减地震波,得到无边界反射干扰的波场快照和地震记录。在前人研究的基础上,进一步分析了分裂完全匹配层(SPML)的衰减机制,通过波动方程模拟,分析了震源主频、空间网格间距、介质速度等参数对SPML边界吸收衰减特征的影响。得到了不同条件下,PML边界对地震波的吸收效果。通过分析对比,得出了震源主频对PML吸收效果无直接影响,空间网格间距与PML吸收效果成反比,高速层PML吸收效果缓慢等结论。并通过Marmousi2模型测算,对结论进行了验证。最后给出了复杂模型、不同尺度数值模拟中SPML参数的选取方法,为地震数值模拟中SPML边界参数的定量选取奠定了基础。     

TTI介质拟声波方程数值模拟

TTI介质qP波数值模拟方法因为考虑了倾角因素,可以比VTI介质qP波数值模拟方法更加准确地描述各向异性介质中地震波场的传播规律。文中用拟声波方程对TTI介质中的地震波场进行了高阶有限差分数值模拟,在改进衰减函数分布方式后,通过坐标变换,利用改进的完全匹配层(perfectly matched layer,PML)边界控制方程对波场边界进行吸收处理,取得了良好的效果;然后分析了拟声波方程数值模拟中的稳定性问题,并对波场中的伪横波进行压制。通过对不同模型的数值模拟,验证了文中使用的TTI介质拟声波波动方程的稳定性以及所采用的PML边界控制方程的可靠性和适用性。     

起伏地表条件下的弹性波叠前逆时偏移

目前,地震勘探条件复杂、地下地质构造多样的“双复杂”地区的地震勘探面临着诸多挑战,特别是地表起伏条件给地下复杂构造精确成像带来了困难。通过研究起伏地表条件下的弹性波叠前逆时偏移方法,采用简洁有效的处理方法解决起伏地表的自由边界条件;利用有效边界的边界存储策略解决弹性波叠前逆时偏移中存储量大的问题。数值实验结果证明该方法能够准确地重建震源波场,SEG加拿大起伏地表逆掩断层模型进一步验证了提出方法的有效性。      

On wave–current interaction by the Green–Naghdi equations in shallow water

This work is on the use of the Green–Naghdi (GN) nonlinear wave equations for simulating wave–current interaction in shallow water. The stream-function wave theory is used at the wave-maker boundary to generate nonlinear incident waves to consider the wave–current interaction. The nonlinear GN equations are solved in the time domain by use of the finite-difference method. The model is evaluated with data from three experimental studies. A strong opposing current over a submerged bar is investigated in the first test case. In the second test case, the interaction of waves with a uniform current over flat bottom is considered. In the third case, wave–current interaction over a variable bathymetry with the following and opposing currents is studied. The numerical results obtained by the GN equations are compared with the experimental data and results based on the Boussinesq equations. A good agreement is obtained for the three experimental studies considered for a wide range of wave and current conditions.     

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。     

局部复杂场地Rayleigh波传播特性分析的SBFEM模型研究

基于土-结构动力相互作用（SSI）的原理,将求解包含局部复杂地形的散射场问题,分解为规则开挖场地的动刚度、包含复杂构造散射体的动刚度和自由场波动输入3个问题的求解,并依据子结构控制方程,提出了一种高精度的比例边界有限（SBFEM）计算模型。通过计算半圆形河谷和半圆形沉积河谷两个算例,验证了SBFEM计算模型的正确性。较为系统地讨论了矩形峡谷、垂直断层和孤凸山体等常见复杂地形对Rayleigh波场的散射作用。结果表明：峡谷深度、软弱断层破碎带和孤凸山体对Rayleigh波都有一定阻挡作用;峡谷宽度、断层宽度和硬性断层填充物等因素对Rayleigh波散射作用影响不明显。SBFEM分析模型可应用于隔震沟、隔震帷幕设计,对大坝、桥梁等工程的选址提供有益的建议。     

三维黏弹性介质人工边界研究

为了得到适于分析非线性结构-地基相互作用问题的人工边界,结合弹性波理论与黏弹性理论,推导出了适于模拟三维黏弹性远场介质辐射阻尼的人工边界,并对其模拟远场地基辐射阻尼的性能及相应地震波动输入方法进行了研究。结果表明：在结构-地基动力相互作用问题中,得到的黏弹性人工边界模拟计算域外远场黏弹性介质的辐射阻尼具有理想精度;不论是简谐波还是非简谐波,地震波动输入都取得了理想结果;在黏弹性介质条件下自由地表处的总场位移幅值n是输入波幅值的 倍。     

地基非线性波动问题中黏-弹性人工边界研究

建立了考虑地基动力非线性效应的波动模拟的二维和三维黏-弹性人工边界条件。引入考虑动力非线性特征的土体等效线性模型中的动模量变化模式,推导了新的平面内法向、平面内切向以及出平面切向的黏-弹性人工边界公式,同时也给出了新的三维法向、切向黏-弹性人工边界公式,并在实际应用中采用等效线性化方法处理,进行了数值算例分析,结果表明,新的黏-弹性人工边界具有更好的精度,可以用于地基非线性波动问题的研究。     

Multiphase SPH modeling of free surface flow in porous media with variable porosity

This paper presents a numerical model for simulating free surface flow in porous media with spatially varying porosity. The governing equations are based on the mixture theory. The resistance forces between solid and fluid is assumed to be nonlinear. A multiphase SPH approach is presented to solve the governing equations. In the multiphase SPH, water is modeled as a weakly compressible fluid, and solid phase is discretized by fixed solid particles carrying information of porosity. The model is validated by several numerical examples including seepage through specimen, fast flow through rockfill dam and wave interaction with porous structure. Good agreements between numerical results and experimental data are obtained in terms of flow rate and evolution of free surface. Parameter study shows that (1) the nonlinear resistance law provides more accurate results; (2) particle size and porosity have significant influence on the porous flow.     

强夯加固机理及其环境影响的数值分析

采用大变形几何非线性有限元法分析强夯加固机理及其振动对环境影响。在强夯计算模型中,引入P波阻尼和S波阻尼的概念来说明土体的材料阻尼特性,同时运用改进人工边界法来模拟波在人工边界上的传播。采用速度和加速度作为强夯振动对环境影响的评价标准,得出强夯的最小安全距离。隔振沟是一种有效的隔振方法,分析了隔振沟隔振效果的各种影响因素,对实际工程具有一定的参考价值。     

Accuracy and efficiency of time integration methods for 1D diffusive wave equation

The diffusive wave approximation of the Saint-Venant equations is commonly used in hydrological models to describe surface flow processes. Numerous numerical approaches can be used to solve this highly nonlinear equation. Nonlinear time integration schemes—also called methods of lines (MOL)—were proven very efficient to solve other nonlinear problems in geosciences but were never considered to deal with surface flow modeling with the diffusive wave equation. In this paper, we study the relative performance of different time and space integration schemes by comparing the results obtained with classical approaches and with nonlinear time integration approaches. The results show that (i) the integration method with a higher order in space shows high accuracy regarding an integrated indicator such as the global mass balance error but is less accurate regarding local indicators, and (ii) nonlinear time integration techniques perform better than classical ones. Overall, it seems that integration techniques combining nonlinear time integration and a low spatial order need to be considered when developing hydrological modeling tools owing to their simplicity of implementation and very good performance.