基于非静压模型的波浪空间聚焦研究

为研究波浪聚焦特性,分析极端波浪的产生机理,采用非静压模型通过数值模拟的方法对波浪聚焦的影响因素进行了详细研究。本文采用SWASH非静压波浪模型,模型垂向均匀分三层以保证足够的色散精度以及非线性精度来高效准确的模拟波浪在变化地形上的传播。研究发现在最大波浪未发生破碎时,波浪在半圆形凸起斜坡浅滩上传播,波浪聚焦是波高增大的最主要原因。初始kR(波数与浅滩半径乘积)值对波浪在该地形上的聚焦特性有着重要影响。初始kR越大,最大波高位置距聚焦地形坡脚的距离越远。当kR在1.4π~4.05π之间时,随着kR的减小,最大相对波高先增大后减小,当kR=2.45π时,最大相对波高达到极大值,可达2.48倍初始波高。     

刚性植物对聚焦波爬坡影响的数值模拟

基于开源程序非静压模型NHWAVE(Non-Hydrostatic Water Wave Model),建立了高精度二维数值波浪水槽,系统研究了非淹没刚性植物对聚焦波爬坡的影响规律,并分析了有效波高、植物区密度和长度等因素对局部最大波高衰减系数、总波能耗散系数和最大波浪爬高的影响。研究结果表明：当聚焦波向岸传播时,局部最大波高衰减系数和总波能耗散系数均随有效波高、植物区密度和植物区长度的增大而增大。聚焦波的最大爬高随有效波高的增大而增大,随植物区密度和植物区长度的增大而减小。随着植物区密度和长度的增大,波峰聚焦的聚焦波相比波谷聚焦的聚焦波有着更大的最大波浪爬高。结果可为进一步认识沿岸防浪林对聚焦波浪的衰减效应和沿海地区的防灾减灾建设提供参考依据。     

近岸波浪浅水变形的非线性分析

本文就近岸波浪具有非线性特征提出了应用椭圆余弦波理论来研究波浪浅水变形的非线性问题。本文在椭圆余弦波数值计算的基础上，进一步分析了浅水波浪在ＨＬ~２／Ｄ~３＞２６情形下波高的变化规律，其中考虑了床面底摩擦、底坡和传质水流等因素对波高变化的影响及相应的程度分析。计算结果分析表明，浅水波浪的非线性性质和底部摩擦对波高变化的影响不能忽略，这对确定海岸工程标高有较大的实际意义和经济价值。     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

波浪与带窄缝多箱体作用共振现象的模拟研究

针对波浪与带有窄缝多箱体结构作用产生的流体共振问题,建立了基于域内源造波技术的二维非线性时域数值波浪水槽模型,其中自由水面满足完全非线性运动学和动力学边界条件,窄缝内流体引入人工阻尼来等效由于涡旋运动和流动分离引起的黏性耗散,计算域边界采用高阶边界元进行离散。通过模拟三箱体间两窄缝内相对波高变化,并与已发表的数值与实验结果对比,验证了本模型的准确性。同时通过大量的数值计算,分析了箱体数量对窄缝内水体共振频率、共振波高以及对结构反射波高和透射波高的影响。     

波浪谱形对不规则波数值模拟的影响

通过数值模拟分析了波浪谱形对不规则波浪数值模拟结果的影响.采用不同参数的JONSWAP谱模拟入射波要素,基于抛物型缓坡方程模拟不规则波浪的传播,分析了波浪谱形状对波浪数值模拟结果的影响.结果表明,采用抛物型缓坡方程模拟不规则波浪时,入射波浪谱形对模拟结果影响不明显;但由于模型中非线性项的影响,采用不规则波模拟的波高分布和采用规则波模拟的结果略有差别.     

楔形体在波浪中自由入水的数值模拟

物体入水时波浪的影响不可忽略,基于流体力学模型采用VOF法,并利用自定义函数,模拟了楔形体的自由入水过程;同时结合推波板原理及海绵层消波理论实现了数值水槽的造消波,完成了波浪中楔形体自由入水的模拟,计算了楔形体入水时所受的水作用力、自由液面变化及物面压强分布等,研究了不同波高、周期以及在波浪不同位置入水时对楔形体的影响。结果表明:本文建立的数值模型可很好地模拟楔形体入水造成的射流及空泡的形成发展过程,波浪对楔形体入水的影响主要由波浪内部流场变化及表面波形决定,在波浪不同位置处入水对楔形体受力及入水形态均有较大影响。     

水下平板与波浪相互作用完全非线性数值模拟(英文)

利用完全非线性数值波浪水槽技术研究水下平板与波浪的相互作用。假定水下平板厚度极薄、刚性,位于有限水深并且非常接近自由水面。应用四阶龙格库塔方法追踪每一时刻的波面形状,采用阻尼层来吸收反射波以保证算法的稳定性,同时引入平滑和重组的方法抑制自由表面控制点的较高梯度。通过对波浪与浮动圆柱相互作用的数值模拟证实了数值波浪水槽方法的有效性,计算结果与线性理论吻合良好。在波浪数值水槽方法中引入造波板模拟波浪产生并与水下平板发生相互作用,应用傅立叶解析方法对波面变形、波浪力作了分析。结果表明在板非常接近自由水面的情况下会表现出现很强的非线性,揭示了线性理论的局限性。     

无限水深聚焦波完全非线性数值模拟

基于势流理论提出一种新的高阶边界元方法对无限水深的聚焦波浪进行完全非线性数值模拟.自由水面满足完全非线性边界条件,模拟波浪的非线性效果可以达到更高阶.利用镜像原理,建立一种全新的格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,以致于两无限深水槽侧壁的积分可以被排除.为了产生相应的入射波和吸收出流波浪,一个由点源组成的造波装置被布置于计算域内,同时人工阻尼层被用来吸引出流波浪,由波浪聚焦的方法得到极限波浪.通过开展线性和完全非线性聚焦波浪的数值实验及与理论解对比,验证本数值模型可以用来模拟无限深水域的极限波浪,且在出流边界没有反射.     

欧拉模型模拟波浪的抑制数值耗散效应的一种简单方法

数值波浪水槽是研究波浪及波浪与结构相互作用的常用工具，可在真实尺度下产生波浪，并提供流场的详细数据。然而，大部分数值波浪水槽都存在数值耗散和数值色散问题，数值耗散使波能缓慢消散，数值弥散在波传播过程中使波频移。本文在有限差分法（FDM）求解欧拉方程的基础上，提出了一种抑制数值耗散效应的简单方法，考虑阻尼项的影响，对波的传播解进行了解析求解。该方法的主要思想是在动量方程中附加一个源项，其强度由数值阻尼效应的强度决定。本文通过对规则线性波、Stokes波和不规则波的数值模拟，验证了该方法的有效性。结果表明，本文方法可有效减小数值波浪水槽中存在的数值耗散现象。     

Harmonic Energy Transfer for Extreme Waves in Current

Ning et al. (2015) developed a 2D fully nonlinear potential model to investigate the interaction between focused waves and uniform currents. The effects of uniform current on focusing wave crest, focal time and focal position were given. As its extension, harmonic energy transfer for focused waves in uniform current is studied using the proposed model by Ning et al. (2015) and Fast Fourier Transformation (FFT) technique in this study. It shows that the strong opposing currents, inducing partial wave blocking and reducing the extreme wave crest, make the nonlinear energy transfer non-reversible in the focusing and defocusing processes. The numerical results also provide an explanation to address the shifts of focal points in consideration of the combination effects of wave nonlinearity and current.     

Numerical Study of Influence of Currents on Nonlinear Focusing Waves

In this paper,a numerical model for nonlinear wave propagation in currents is formulated by a set of enhanced fully nonlinear Boussinesq equations with ambient currents.This model is verified by comparison with the published results.Then the influence of currents on nonlinear focusing waves is studied by use of the numerical model.It is found that the effect of currents on the surface elevations at the focal location is negligible.Following currents can augment the maximum crest of focusing wave while decre...     

Effect of wave nonlinearity on fatigue damage and extreme responses of a semi-submersible floating wind turbine

Floating wind turbine has been the highlight in offshore wind industry lately. There has been great effort on developing highly sophisticated numerical model to better understand its hydrodynamic behaviour. A engineering-practical method to study the nonlinear wave effects on floating wind turbine has been recently developed. Based on the method established, the focus of this paper is to quantify the wave nonlinearity effect due to nonlinear wave kinematics by comparing the structural responses of floating wind turbine when exposed to irregular linear Airy wave and fully nonlinear wave. Critical responses and fatigue damage are studied in operational conditions and short-term extreme values are predicted in extreme conditions respectively. In the operational condition, wind effects are dominating the mean value and standard deviation of most responses except floater heave motion. The fatigue damage at the tower base is dominated by wind effects. The fatigue damage for the mooring line is more influenced by wind effects for conditions with small wave and wave effects for conditions with large wave. The wave nonlinearity effect becomes significant for surge and mooring line tension for large waves while floater heave, pitch motion, tower base bending moment and pontoon axial force are less sensitive to the nonlinear wave effect. In the extreme condition, linear wave theory underestimates wave elevation, floater surge motion and mooring line tension compared with fully nonlinear wave theory while quite close results are predicted for other responses.     

方向分布对三维聚焦波浪波面特性影响研究

波浪聚焦被认为是产生极限波浪的重要机理之一,近年来受到普遍重视。通过高阶谱方法,引入造波边界建立数值计算模型,模拟聚焦波浪在不同方向分布时的产生和聚焦过程,研究波浪的方向分布对聚焦波浪的波面、波峰最大值、聚焦点的偏移、波面参数及频谱的影响。研究结果表明波浪方向分布越窄,波浪的非线性影响越强、波面越陡,波峰值、聚焦点的偏移和波面特征参数都越大;同时方向分布对波浪聚焦前后的能量具有很大的影响。     

基于Boussinesq水波模型的聚焦波模拟

基于最高导数为3阶的单层Boussinesq方程,建立了聚焦波的时域波浪计算模型。数值模型求解采用了预报?校正的有限差分法。对于时间差分格式,预报和校正分别采用3阶Adams-Bashforth格式和4阶Adams-Moulton格式。首先,针对不同水深条件下水槽中传播的强非线性波进行模拟,并将数值结果与流函数的数值解析解进行了比较,结果表明无论是波面位移、波面处的水平速度和垂向速度均与解析解符合较好,最大波峰面的速度分布伴随水深的增加与解析解吻合程度变差,非线性速度分布的适用范围与线性解析解适应范围kh<3.5基本一致。其次,对深水聚焦波演化进行了模拟研究,研究中聚焦波的生成采用在边界点累加不同频率线性规则波的方法。应用聚焦波物理模型实验结果验证模型,计算聚焦位置处的波面位移和沿水深的速度分布与实验结果的对比表明,波面位移吻合程度较好,垂向的水平速度分布基本吻合。最后,保持中心频率(周期)不变,数值模拟了周期范围变化下最大聚焦波峰面以及波峰面水平速度的变化趋势,结果表明波峰面值和波峰面水平速度随着周期范围缩小而增大。     

Wave crest and trough distributions in a broad-banded directional wave field

It is well established that the modulational instability enhances the probability of occurrence for extreme events in long crested wave fields. Recent studies, however, have shown that the coexistence of directional wave components can reduce the effects related to the modulational instability. Here, numerical simulations of the Euler equations are used to investigate whether the modulational instability may produce significant deviations from second-order statistical properties of surface gravity waves when short crestness (i.e., directionality) is accounted for. The case of a broad-banded directional wave field (i.e. wind sea) is investigated. The analysis is concentrated on the wave crest and trough distribution. For completeness a comparison with a unidirectional wave field is presented also. Results will show that the distributions based on second-order theory provide a good estimate for the simulated crest and trough height also at low probability levels.     

波浪沿斜面传播过程的数值模拟

精确模拟非线性波沿斜面传播过程非常困难,为此论文从势函数的边界积分方程出发,建立了一种时域内二维波浪模拟的数值模型,主要用来模拟完全非线性波浪的传播变形过程。论文的数值模型使用高阶二维边界元方法,采用可调节时间步长的基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格郎日时间步进来求解带自由表面的线性或完全非线性波浪传播问题。在计算区域一端造出线性或非线性的周期性波浪,另一端采用消除反射波的人工粘性吸收边界。通过与现有理论比较证明了论文数值方法所得结果是准确可靠的。     

Nonlinear numerical simulation on extreme-wave kinematics

A fully nonlinear numerical model based on a time-domain higher-order boundary element method (HOBEM) is founded to simulate the kinematics of extreme waves. In the model, the fully nonlinear free surface boundary conditions are satisfied and a semi-mixed Euler-Lagrange method is used to track free surface; a fourth-order Runga-Kutta technique is adopted to refresh the wave elevation and velocity potential on the free surface at each time step; an image Green function is used in the numerical wave tank so that the integrations on the lateral surfaces and bottom are excluded. The extreme waves are generated by the method of wave focusing. The physical experiments are carried out in a wave flume. On the horizontal velocity of the measured point, numerical solutions agree well with experimental results. The characteristics of the nonlinear extreme-wave kinematics and the velocity distribution are studied here.     

深水极端波浪非线性几何特征试验分析

为了解极端波浪非线性特征,明确波群在演化过程中的水动力学特性,针对一系列高斯波群进行了深水物理试验分析。试验结果显示,增加波陡或波群宽度,均可使波面偏度Sk发生明显变化,尤其当波浪发生破碎后,在破碎区域内,波面偏度变化范围剧烈增大,说明该偏度极大值可能作为判断破碎的一个指标。波陡和波群宽度对波面不对称度影响程度不同:当波陡或波群宽度增加后,波峰不对称度所受影响最大,波峰前端波谷不对称度次之,波峰后端波谷不对称度所受影响最小,但仍不可忽略。在波浪演化过程中,幅值谱出现不同程度频带下移,波浪破碎后,会出现永久频带下移;当调制不稳定发生时,随着调制不稳定指数增加,频带下移量呈现快速增长趋势。     

深水中极限波峰下速度场快速算法

基于五阶斯托克斯规则波理论,提出了一种快速求解深水极限波峰下速度场的数学模型.研究中,按照上跨零点和下跨零点的方法由计算或实测的极限波浪波面时间历程确定包含极限波峰的相邻两个周期的平均值为五阶斯托克斯规则波的波浪周期,然后根据极限波峰反推确定波浪入射波幅.通过与已有的数值结果和实验数据对比,验证了所建立的数值模型可以快速准确的计算出极限波峰下的速度场,相比其他模型,更适合于工程应用.