海洋工程试验中多单元造波机波浪模拟方法

由若干独立摇板组成的多单元造波机已经成为实验室研究波浪及其与海洋工程结构物相互作用的重要设备.介绍海洋深水池双边多单元造波机及其模拟波浪的方法,通过物理试验对所模拟的长峰规则波、不规则波和三维短峰波进行初步的试验研究.模拟波浪的时域和频域分析结果表明利用双边多单元造波机能够生成良好的长峰波浪和三维短峰波浪,所模拟的波浪能够满足海洋工程试验的要求.     

不规则波模型试验的几个问题

本文比较系统地介绍和探讨了不规则波模型试验中的几个基本问题产生不规则波的方法,天然波列的复制,不规则波的模拟要求以及多向(短峰)不规则波的模拟方法。同时简介了波群的模拟方法和入射波与反射波的分离方法。     

不规则波浪的实验室模拟

众所周知,海浪是一种相当复杂的不规则的波动现象。现已发现不少工程课题中,如单点系泊等浮式结构的动力反应、波浪的折射与绕射、护岸越浪以及斜堤护面块体的稳定性等,都必须考虑波浪的不规则性。因此采用不规则波进行模型试验已成为当务之急.目前国内外部在大力开展这方面的研究工作,日本已正式把不规则波浪纳入新港工规范,国内不少单位已经或正在研制或引进不规则造波机。本文将系统地介绍和探讨波浪模型试验中不规则波浪的模拟方法和入射波、反射波的确定方法。     

不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波

利用MAC(marker and cell)法直接数值求解连续方程和N-S方程.为模拟不规则波长时段连续造波及消除波浪遇结构物后形成的二次反射,采用了源造波法.对开敞边界,采用了海绵阻尼消波和Sommerfeld条件相结合的处理方式.     

双边多单元造波机造波性能分析

由若干独立摇板组成的多单元造波机是实验室研究波浪及其与海洋工程结构物相互作用的重要设备。由于单元摇板宽度和波浪周期对斜向波浪模拟方向角的限制、斜向波浪模拟引起的杂波和三维短峰波浪模拟的有效实验区范围等,是影响多单元造波机波浪模拟质量的关键问题。通过对海洋深水池双边多单元造波机性能的分析,获得了波向角与规则波浪周期的关系,避免杂波产生的波浪周期范围和三维短峰波浪有效实验区的范围。分析结果对于海洋深水池高质量模拟波浪并为海洋工程结构物模型试验提供良好的波浪环境条件具有重要意义。     

基于完全非线性Boussinesq方程的源函数数值造波

探讨了应用于完全非线性Boussinesq模型模拟波浪传播变形的数值造波和波浪分析方法。采取在造波区的流体运动方程中引入源函数的造波法以实现无反射造波。通过数值试验探讨了造波函数中系数δ的取值。为模拟不规则波,采用了线性波浪叠加法。利用相关函数法进行谱估计,以检验不规则波造波效果。文中讨论了采用相关函数法估计海浪谱时,参数△t、m、和N之间的关系。     

单立柱张力腿平台水动力性能试验研究

通过耐波性水池进行单立柱张力腿平台(简称SCTLP)在系泊状态下的运动特性,以及张力筋键受力情况的试验研究。试验分别在规则波和不规则波(长峰波和短峰波)中进行,浪向选取180°。根据水池深度,模型试验采用1∶87.5的缩尺比进行全水深模拟,并对风力和流速进行了模拟。通过试验,获得较为丰富的试验数据,能很好地分析SCTLP的运动特性。     

波流水槽模拟波浪技术的研究

介绍了实验室的造波机系统和造波特性及其在模型试验中的应用,并讨论了实验室内模拟海浪的检验标准及其方法。并对造波机应用前景进行讨论,对不规则波造波机进行物模试验具有一定的现实意义。     

调频式不规则波造波系统

本文叙述了利用现有各类规则波造波机产生不规则波的简易方法。不规则的波模拟是通过模拟波谱来实现的。文中叙述了模拟波谱的基本原理。作为不规则电压信号的输入装置,先后采用了四种系统:即1、单机头发报机与继电器组系统;2、微处理机作为控制系统;3、单板计算机系统;4、磁带记录器系统。文中对模拟所得的不规则波作了谱分析及统计分析,并与靶谱作了比较。最后还对各系统的经济效益作了讨论。     

短峰畸形波生成、演化过程的外部特征研究

在实际海况中,由于波浪组分方向不同,使海浪常表现为三维短峰波,与二维长峰波相比,有诸多异同特征。为了研究三维畸形波生成和演化过程中异常大波的外部特征以及大波间的关联,本文采用色散和方向聚焦方法在物理水池中模拟了短峰畸形波的整个生成和演化过程。研究结果表明,生成和演化过程中出现的异常大波沿着方向分布函数峰值方向演化,具有一定程度“对称”特征;根据异常大波的特征参数可将该过程分成3～4个典型的阶段,这意味着可以根据异常大波的特征参数判断其所处阶段及预测其演化趋势;三维畸形波生成和演化过程可能会跳过“波群”或者“深谷”阶段,与二维畸形波相比,时-空范围较小,这意味着在三维波浪场中,与畸形波相关的深谷和波群的发生概率较低。     

Hilbert变换在波群统计中的应用——Ⅰ.波群群高

本文报告波群统计特性研究结果的第一部分.提出了描述波群高低和强弱特性的物理量——波群高度的定义,并给出由波包谱零阶矩和波面谱零阶矩计算波列均方根群高和均方根相对群高两个波群高度统计特征量的方法.其中波包谱的估计可借助于Hilbert变换由波面高度记录得到.利用不规则波造波系统在水槽内产生的具有不同群性的波列作了验证.验证结果是令人满意的.     

多向不规则波浪生成的数值方法

实际的海浪是三维(多方向)的,海浪的方向分布对于海浪折射、绕射及泥沙运动等的研究具有重要的意义,因而人们利用多向不规则造波机对它进行物理模型试验研究.同时,基于合适的数学模型,可在计算机上产生长时段的多向不规则波浪,用于研究海浪的基本特性及其对工程建筑物的作用,也是一种方便经济有效的手段,这也是制作多向不规则波造波机控制信号的基础.因此,如何由数模有效地合成多向不规则波浪,日益受到人们的重视.常用的一种方法是把海浪看作由无数不同频率和不同方向的组成波线性叠加而成,因而将模拟二维波浪的方法[1]直接推广应用于三维波浪的模拟.但是这样模拟所得的波浪往往是空间上不均匀,时间上会重复出现,需要进一步研究改进.本文首先给出了多向不规则波的三种模拟方法,并对其模拟结果进行了分析检验,给出了较理想的海浪模式.在此基础上,研究了模拟所得波浪的基本特征和模拟参数的确定.     

根、茎、叶定量概化植物模型沿程不规则波消减实验

在理论分析的基础上利用根、茎、叶均可量化的植物模型,开展波浪水槽实验。通过改变实验水深、入射波高、植物分布密度等因素,研究不规则波在植物群传播时沿程波高衰减特性,利用快速傅里叶变换对不规则波频谱变化情况进行分析。结果表明,各植物模型消波效果较好,但很少出现植物消波的边界效应,不规则波沿植物群的波高变化情况多数时与Mendez理论曲线不一致,植物群各部分的波能衰减情况并无固定的变化规律。此外,波能衰减集中在谱峰频率处,且入射波高越大,透射波与入射波之间的谱峰值差值越大,但透射波的频谱宽度与入射波相比无明显变化。本研究可为采用近岸植物消波护岸提供一定的理论依据。     

Hilbert变换在波群统计中的应用——Ⅱ.波群平均历时长度和平均连长

本文报告波群统计特性研究结果的第二部分.提出用波包谱零阶、二阶矩和波面谱零阶、二阶矩计算平均历时长度和平均连长的新方法.用不规则波造波系统在水槽内产生的具有不同群性的三列不规则波作了验证,并与按Nolte和Hsu公式计算的平均历时长度和按Ewing公式计算的平均连长作了比较.验证和比较结果表明,本文提出的方法不仅可行,且具有一定的优越性.     

斜向不规则波对直墙作用的实验研究

通过长峰不规则波和方向波谱对直墙作用的实验研究 ,分别给出了每延米斜向不规则波波浪力与正向力之比 ,方向波谱波浪力与斜向长峰不规则波波浪力之间的关系 ,通过与规则波实验结果的比较给出了斜向规则波与不规则波波浪力之间的相对关系 ;并对斜向不规则波的反射系数与正向波时的变化作出了分析     

基于Fluent的内孤立波质量源造波方法研究

在RNGk-ε湍流模型下,基于Fluent平台中的DEFINE-SOURCE宏,结合KdV与eKdV理论编写相应程序,从粘性不可压缩流体的N-S方程出发,进行了基于质量源造波法的内孤立波数值模拟,并将所得模拟结果与物理实验结果、理论值及速度入口法与平板拍击法数值模拟结果进行了对比和分析。结果表明:质量源造波法所得波形与物理实验结果、理论值及速度入口法与平板拍击法数值模拟结果吻合较好,验证了本文所述质量源造波方法的可行性和有效性,且该方法对振幅水深比小于0.1和大于0.1的内孤立波均具有较好的适用性。此外,质量源造波法避免了动网格的使用、可用于研究速度边界未知的情况、耗时短、效率高、适应性强等优点为进一步研究内孤立波与海洋结构物的相互作用问题提供了一种新的实现方案。     

基于分层Boussinesq类模型的深水波数值模拟

波群演化有非常特殊的物理现象。模拟这一过程要求模型具有较好的色散性性能同时具有良好的波幅离散性能、非线性性能。采用分层Boussinesq类方程对深水波群得到非线性演化开展数值模拟研究。利用Stansberg(1993)的物理实验验证了分层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。模型较好地预报了组成波的倍频、和频及差频波浪。越接近造波板,结果吻合的越好。随着长时间的演化,主频部分的组成波的波高数值结果要大于实测结果,高频部分的组成波出现明显差异。     

带胸墙斜坡堤越浪量的数值试验研究

采用黏性流体的连续性方程、雷诺时均N-S方程作为基本控制方程,RNG k-ε模型模拟湍流效应,VOF方法捕捉流体自由表面,结合主动吸收式造波理论,借助FLUENT软件建立二维不规则波数值水槽。在验证数值水槽造波性能的基础上,数值模拟带胸墙斜坡堤的越浪,并将数值计算的平均越浪量与已有物模试验值进行对比,两者趋势一致,吻合良好;表明该数值水槽模拟不规则波作用带胸墙斜坡堤越浪的准确性。针对带胸墙斜坡堤,藉此分析了堤顶超高、斜坡坡比、坡肩宽度及坡肩高度对其平均越浪量影响的规律性,研究成果对斜坡堤工程设计具有重要的参考意义。     

基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究

准确确定越浪量对于斜坡堤设计有重要意义。利用格子Boltzmann方法(LBM),并采用主动吸收式速度入口造波、出流边界消波、VOF方法追踪自由表面以及静态Smagorinsky模型模拟紊流运动,建立二维数值波浪水槽,对光滑斜坡堤上规则波与不规则波越浪进行数值模拟。模拟结果与试验值及其他数值模型结果比较表明,二维LBM数值波浪水槽具有模拟斜坡堤越浪的能力,但对于破碎较为剧烈的越浪过程模拟,该模型还存在一定的不足,未来可从提高自由表面模型精度等方面进一步改善其性能。     

基于光滑质点流体动力学方法数值波浪水槽研究

基于光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法建立二维数值波浪水槽,利用推波板造波生成孤立波和不规则波,模拟结果跟实验值及解析解做了对比分析,结果令人满意.SPH数值水槽中生成的波浪具有明显的非线性,波浪能量沿程有所衰减,与物理水槽结果吻合良好.