极限波浪运动特性的非线性数值模拟

利用时域高阶边界元方法建立了模拟极限波浪运动的完全非线性数值模型,其中自由水面满足完全非线性自由水面条件.采用半混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,同时应用镜像格林函数消除水槽两个侧面和底面上的积分.研究中利用波浪聚焦的方法产生极限波浪,并且在水槽中开展了物理模型实验,将测点试验数据与数值结果进行了对比,两者吻合得很好.对极限波浪运动的非线性和流域内速度分布进行了研究.     

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。     

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。     

三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.跟踪流体自由表面的方法为满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法,对离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元.并把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克斯波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播.     

分层流水槽箱内垂荡板式内波造波模拟研究

提出了一种新型内波造波方法——箱内垂荡板式造波。应用 FLUENT 软件的有限体积法,采用 k-ε两方程湍流模型封闭 RANS 方程作为求解控制方程,建立二维数值内波水槽。通过模仿物理造波机运动的数值模拟结果比较表明：箱内垂荡板式造波机生成的内波与理论解十分吻合,与双板联动式造波和平板拍击式造波相比,控制简单,对自由水面的扰动小,对水槽水深的变化和分层界面位置的改变适应性好,不会造成分层水体的掺混。     

海平面上升模拟及其在数字海洋中的实现

围绕海平面上升模拟中需解决的水面演进范围判定、进水量计算、水面对象时空数据组织以及水面运动时间动画构建等问题进行了探讨,提出了基于溃堤进水量和改进的有源淹没算法实现的水面演进范围模拟方法,并介绍了如何应用 SkyLine 软件实现水面上升模拟及其在"数字海洋"中的集成应用.     

数值波浪水槽消波器的改进与检验

数值波浪水槽技术是一种新兴的水波动力学数值模拟技术, 它能够实现水波现象的精确模拟。作为数值波浪水槽的一个重要功能, 消波技术被用于消除传入波浪在水槽末端的反射效应, 以防止反射波对有效实验区域的污染, 从而保证特定要求的水波实验的精确性。目前被广泛采用的消波技术可分为阻尼消波区和主动消波器两类。     

基于SPH-ALE方法的浮力摆水动力数值模拟

基于光滑粒子流体动力学-任意拉格朗日欧拉(SPH-ALE)方法建立二维数值波浪水槽,在控制方程中引入近似黎曼解替代人工黏性,采用排斥力边界条件防止流体粒子穿透固边界,采用指数型衰减函数设置海绵层以消除水槽末端的波浪反射。应用所建立的数值模型对规则波传播及其与浮力摆摆板的相互作用进行了水动力数值模拟,结果表明:文中SPH-ALE模型能够较精确地模拟波浪传播,合理地复现波浪与浮力摆摆板相互作用的物理过程。     

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。     

砾石单元法与SPH耦合模型在数值波浪水槽中的应用研究

为研究以流体粒子描述波浪运动，以固体单元描述砾石运动的两相介质大变形运动，在港口、海岸工程科学研究中具有重要意义。本文提出砾石单元法（GEM），介绍了光滑粒子动力学方法（SPH）和GEM的基本原理，阐述了GEM与离散单元法（DEM）的异同之处，说明了采用SPH方法与GEM构建波浪砾石耦合运动数学模型的方法和过程。应用SPH方法建立数值波浪水槽，用GEM模拟波浪作用下堆积砾石的滚落、坍塌变形，构建了SPH方法与GEM耦合数学模型。模拟了水槽造波和波浪生成过程和波浪作用下砾石的滚落、坍塌变形，并与物理模型试验成果进行了比较，结果基本吻合。本文提出的GEM法具有模拟单相堆积砾石运动和堆积砾石与流体粒子耦合多相介质运动的功能，是对DEM法的补充和改善。本文提出的堆积力学球概念和拟序排列求解方法是砾石单元法的重要组成部分。     

Numerical Model of Cnoidal Wave Flume

The volume of fluid(VOF)method is used to set up a wave flume with an absorbing wavemaker of cnoidal waves.Based on the transfer function between wave surface and paddle velocity obtained bythe shallow water wave theory,the velocity boundary condition of an absorbing wave maker is introduced toabsorb reflected waves that reach the numerical wave maker.For H/d ranging from 0.1 to 0.59 and T(g/d)~(1/2)from 7.9 to 18.3,the parametric studies have been carried out and compared with experiments.     

台阶式变深水槽造波的解析研究

利用特征函数展开法对台阶式变深水槽中推板式造波机造波问题进行了研究,建立了相应速度势和波面的解析表达式。与高阶边界元方法(HOBEM)数值结果进行了对比,验证了本解析解的正确性。通过数值试验,研究了台阶对入射波的影响,同时分析了造波板所在位置(上部台阶)水深、水槽工作区(下部台阶)水深、造波板运动周期和造波板水平位置等因素对生成波浪高度的影响。由此选择合适的造波板所在位置及水深来得到所需要的波浪高度,进而根据需要生成波浪的周期和波幅来反演造波板的运动。     

不规则波与开孔沉箱相互作用数值模拟

采用三步有限元法对N-S方程进行离散,同时借助CLEAR-VOF方法追踪流体自由表面,利用主动吸收式造波等手段改进了二维不规则波浪数值水槽,使得水槽中的波浪谱与目标靶谱吻合较好。进而建立了不规则波浪与开孔沉箱作用一种新的数值模式,分析研究不规则波作用下开孔沉箱的反射率,并与现有的物模结果和数模结果进行了对比,为不规则波与开孔沉箱作用问题的研究,探求了一种新的数值手段。     

Experimental validation of a CFD model using a narrow wave flume

Induced swell is characterized in an experimental wave flume that is used to validate the corresponding computational model. The experiments and the numerical simulations are performed in water at several depths (h [m] of 0.2, 0.1, and 0.07), using a piston-type wave maker at set amplitudes (0.015 < A_p [m] < 0.15), accelerations-decelerations (0.3 < a_p < 1.0) and average velocities (0.03 < U [m/s] < 0.3) that control the propagation velocity, the period and the wavelength of the waves. The physical effects are modelled with a 2D computational model (STAR-CCM + v11.02) with a mesh of around 630,000 cells of different adaptive sizes, depending on the region under consideration. The physical model is based on a two-phase Eulerian “Volume of Fluid” unsteady model, accounting for gravity and surface tension, that characterizes turbulence with a k-ε model. A user-defined function, based on the period and the amplitude of the vertical paddle in the wave maker, describes the cyclic motion of the linear induction motor. Both the experimental and the computational results are analyzed taking the validity limits of various wave theories as a reference (Le Méhauté). As a result, the experiments are classified within the intermediate water depth regime that corresponds to the second-order Stokes’ wave theory. In addition, both the wave propagation velocity and the period are represented as a function of the wavelength and compared with the analytical solutions from the wave theories. The experimental and the computational test campaign yielded results that confirmed the validity of the computational model and that defined the most appropriate conditions for a high-quality CFD simulation.     

波浪作用下浮泥悬扬浓度特性研究

为研究不同波浪环境下,水底浮泥层产生泥沙悬扬后其浓度的分布特性,使用浊度计测定浊度的方法确定水体中泥沙的浓度,并在水槽实验中改变水深、浮泥厚度及造波机的频率和振幅,观察水槽中悬浮泥沙浓度的变化情况,获得水深、波浪频率、波幅以及浮泥厚度对底床泥沙悬扬的影响,分析泥沙浓度的垂向分布特征等。实验结果显示,水深对底床泥沙悬扬的影响最为显著,其他实验参数的影响均不十分显著。同时,通过垂向输沙平衡的分析,得到一个可描述泥沙垂向浓度分布的理论公式,并利用水槽实验结果进行验证。对比结果显示,理论公式所得曲线与实验结果曲线变化趋势一致,部分工况下,理论值稍稍偏大。     

实验室造波条件对内孤立波发展影响的直接数值模拟

内孤立波具有振幅尺度大、能量集中的特点,其引起流场和密度场的迅速变化可能对海洋工程结构物以及水下潜体造成严重威胁。因此研究不同造波条件下生成的内孤立波运动的流场特征具有重要的学术意义和实际应用价值。采用直接数值模拟方法和给定的初始密度场密度跃迁函数,对重力塌陷激发内孤立波的运动过程进行研究,探讨了不同造波条件下,激发产生的内孤立波波型、涡度、振幅和水平速度等流场特征。结果表明:(1)直接模拟数值方法能够模拟内孤立波传播过程中的密度界面波型反转现象;(2)从定性和定量的角度,证实了不稳定内孤立波传播过程中存在能量的向后传递;(3)对于相同的台阶深度(水闸两侧初始密度界面的高度差),初始涡流保持相同,但是随着上下层水深比的减小,其强度下降显著;(4)台阶深度对初始涡流的垂直结构的影响要大于上下层水深比,且台阶深度对内孤立波的振幅、水平速度的影响显著。     

Numerical simulation of tsunami waves generated by deformable submarine landslides

This paper presents a new submarine landslide model based on the non-hydrostatic wave model NHWAVE of Ma et al. (2012). The landslide is modeled as a water–sediment mixture. The dense plume is driven by baroclinic pressure forcing introduced by spatial density variations. The model is validated using laboratory measurements of turbidity currents and of water wave generation by a granular landslide. The model is then utilized to study the dependence of landslide motion and associated tsunami wave generation on parameters including sediment settling velocity, initial depth of the landslide and slide density. Model results show that the slide motion and water waves which it generates are both sensitive to these parameters. The relative tsunamigenic response to rigid and deformable landslides of equal initial geometry and density is also examined. It is found that the wave energy is mostly concentrated on a narrow band of the dominant slide direction for the waves generated by rigid landslides, while directional spreading is more significant for waves generated by deformable landslides. The deformable landslide has larger speed and acceleration at the early stage of landslide, resulting in larger surface waves. The numerical results indicate that the model is capable of reasonably simulating tsunami wave generation by submarine landslides.