一个近岸海流数值计算模式的开边界条件

为了计算的省时性,ＩＡＰ近岸海流数值模式采用了分解算法,即将控制方程分解为３个过程并用不同的时间步长进行积分。文章在此基础上对分解后的控制方程作局地线性化,得到了适合不同过程的开边界条件。对于适应过程,控制方程变换为等价的表示沿不同方向传播波动的特征方程。传出计算区域的波动用特征方程来描述,而传入波动则由无反射边界条件来消除。对于演变过程,求出了解析形式的通解。在流出点上,边界条件可以借助解析解由上一时刻区域内部或边界上的已知值求得;而在流入点上,边值保持定常。对于耗散过程,不需要边界条件。最后对所提出的开边界条件进行了数值检验,结果是令人满意的。     

优化系数的四阶吸收边界条件

在波动方程正演模拟或偏移计算中往往要在边界上加上吸收边界条件来消除人工边界的虚假反射.传统的吸收边界条件方程阶数较低,对大角度入射波的吸收效果不理想.本文基于Higdon提出的渐进吸收边界条件方法,推导出四阶吸收边界条件方程,并提出了一种新的吸收边界条件角度参数的优化选择方法.实验证明应用此优化系数的四阶吸收边界条件对全角度入射的入射波都有较好的吸收效果.     

非线性波浪时域计算的三维耦合模型

将计算区域Ω划分为内域Ω₁和外域Ω₂(Ω₂=Ω-Ω₁),外域控制方程采用改进线性频散特性的二维Boussinesq方程,用预报一校正法数值求解;结构物附近的内域控制方程为三维Navier-Stokes方程,由VOF方法数值求解。通过在外域和内域相匹配的交界面上设置合适的速度和波面边界条件,建立了三维非线性波浪时域计算的耦合模型。模拟试验表明:(1)耦合模型数值波浪水池可以产生稳定的、重复性较好的波动过程;(2)用耦合模型数值波浪水池求解较大浅水区域上的非线性波浪数值计算问题可以取得较高的计算效率,同时又能得出结构物附近的复杂流场。     

一般曲线坐标系下波浪传播的数值模拟

在曲线坐标系下,建立了缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型.模型适宜于复杂变化的边界形状,克服了各种代数坐标变换的局限性.在建立模型时,将原始的椭圆型缓坡方程的近似型式——依赖时间变化的抛物型方程,作为控制方程,既克服了一般抛物近似方法的缺点,又便利了方程的求解;从开边界条件、不同反射特性的固壁边界条件相统一的表达式出发,对边界条件进行处理;用ADI法数值求解控制方程.对模型的验证表明,数值解与物模实验值吻合良好,模型对于具有复杂边界的工程实际有较强的适应性.     

强非线性和色散性Boussinesq方程数值模型检验

采用同位网格有限差分法,建立了强非线性和色散性Boussinesq方程数值计算模型。以稳恒波Fourier近似解给定入射波边界条件,对均匀水深深水和浅水域不同非线性的行进波、缓坡地形上深水至浅水域的浅水变形波、以及缓坡和陡坡地形上的波浪水槽实验进行了数值计算,并将计算结果与解析解、解析数值解以及实验值进行了较为详细的比较,从而检验了模型的色散性、非线性以及不同底坡下非线性波的浅水变形性能。     

海洋流体动力学的一种交替方向隐式二维数值模式

本文提出一种计算浅海潮汐、风暴潮及其他长周期波动的二维数值模式.动力学方程用建立在交错网格上的二步差分子方程近似,两步均为隐格式,其中一步用于计算水位和x方向速度分量,另一步计算水位和y方向速度分量.两步交替进行以获得每一时间步长的值,该格式具有二阶精度.文章用Von Neumann方法证明了该计算格式的线性差分方程是无条件稳定的.为检验数值模式的可靠性,本文作了一系列数值实验.在有一开边界的长方形平底和斜底水域中以开边界处周期性振动和海面处定常风应力驱动下,数值模拟所得结果与解析解完全一致;在水深不连续,边界封闭的矩形水域中,水位对定常风响应的数值解也与Leendertse模式计算结果完全一致.模式还用于对南海风暴潮进行后报,良好地再现了风暴增水过程.     

防波堤滑移运动解析解及其应用研究

基于波浪力时程曲线分解,推导出非破碎波和破碎波作用下防波堤滑移运动方程的解析解,可为类似问题提供参考.通过与以往实验结果对比验证了解析解的有效性,并将其应用于防波堤设计实例中,计算了不同设计波浪重现期条件下的期望滑移距离和期望失效概率,表明我国规范中设计波浪重现期标准的合理性.从计算结果分析,考虑到分项系数对于荷载效应的放大作用,遵从规范设计出来的防波堤尺寸明显偏于安全,若采用允许一定变形的设计理念,则可在不影响结构可靠性的基础上极大节约材料用量.     

斜向波对台阶地形上有限吃水半无限长弹性板的散射作用

基于线性势流理论和欧拉-伯努利梁理论,采用匹配特征函数展开法建立斜向波对台阶地形上有限吃水半无限长弹性板散射的解析解。与以往研究不同,本文同时考虑波浪入射角度、弹性板吃水、三种不同板端条件（自由板端、简支板端、固定板端）以及海底地形的影响。本文还直接将板端条件引入匹配边界条件,建立线性方程组求解速度势中的展开系数,计算过程简单、高效。计算结果表明：本文方法收敛性好,并满足能量守恒方程。将本文计算结果与文献中的特例结果进行对比,吻合良好。分析了波浪入射角度、弹性板吃水、不同板端条件以及海底地形对弹性板水动力参数的影响,研究结果可以为工程设计提供参考。     

非线性波浪波面追踪的一种新模式

基于Laplace方程的Green积分表达式和波面BemouUi方程所建立的非线性波动数学模型,是一个时域上具有初始值的边值问题,而精确地追踪自由表面的波动位置,给出波面运动瞬时的波面高度和波面势函数,是建立时域内非线性波浪数值模式的基础。本文采用0-1混合型边界元剖分计算域边界并离散Laplace方程的Green积分表达式,采用有限元剖分自由水面并推导满足自由表面非线性边界条件的波面有限元方程,联立计算域内以节点波势函数和波面位置高度的时间增量为未知量的线性方程组,通过时步内的循环迭代,给出每个时步上的波面位置和波面势函数,从而建立了一种新的非线性波浪波面追踪模式。数值造波水槽内的波浪试验表明,其数值模拟结果具有良好的计算精度。     

主动式声纳列阵拖曳系统姿态数值计算

主动式声纳列阵拖曳系统是用于探测潜艇的新型声纳系统，为了准确探测潜艇的位置，必须首先预报声纳列阵的瓷态，本文通过对其三维力学模型的分析，得到该系统的运动微分方程，其中缆索的力学方程是基于Ablow和Milinazzo的模型，而对于拖体则运用六自由度空间运动方程模拟，结合边界条件，用有限差分法求解，通过对拖船的不同运动状态如匀速，变速和回转的计算，证明本文的方法对于预报声纳列阵的姿态是有效的。     

对流扩散问题的准分析模型

本文采用剖开算子法将二维对流扩散方程分裂为对流过程、扩散过程以及源汇项三部分,然后用各自相应的、便利的解析方法求其解析解,从而找出问题的准解析解,并且在三角形网格上求解二维问题,得到了较为满意的结果。文中还分析了准分析解与解析解在对流扩散问题上的一致性;并将该法用于电厂周围温水排放计算,通过与其它方法计算结果比较表明,该法不仅能较好地模拟电厂周围的温度分布情况,而且具有物理概念明确、计算速度快、稳定性好以及与计算区域吻合好的优点。     

任意曲线边界条件下缓变水深水域波浪传播的数值模拟

缓坡方程被广泛地应用于描述波浪的传播变形计算,目前一般采用矩形网格求解.将计算域剖分为任意四边形网格,以格林公式为基础,在变量沿单元边界线性变化的假定下,对双曲型的波能守恒方程、波数矢无旋性方程进行离散,同时通过等参单元变换推求节点偏导数值以离散椭圆型光程函数方程,从而建立了任意曲线边界条件下缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型.将模型应用于平行直线型等深线地形,并将计算域剖分为不规则四边形网格,对不同入射角、底坡、波高等多种组合情况比较了数值解与解析解,结果表明两者一致.应用于复杂边界的实例,数值模拟结果与物模实验值基本吻合.     

模拟海底管道的阴极保护中数值计算边界条件的确定

根据相似论和因次分析,用钢丝来模拟实际海底管道.通过实验,研究了牺牲阳极及被保护钢丝的极化性能,从而得到了在阴极保护中进行数值计算的边界条件;对于从实验基础上建立的数学模型进行有限元计算,计算结果与实测结果吻合较好,证明确定的边界条件是合理的,可以将建立的数学模型用于实际海底管道的阴极保护设计.     

波浪对透空式结构物冲击作用的光滑粒子流体动力学数值模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的二维数值波浪水槽模拟了规则波对透空式结构物的冲击作用。通过黎曼解和CSPM相结合的方法对连续方程和动量方程进行了修正。对造波边界采用虚粒子法模拟。提出了一种耦合计算方法来消除造波边界附近的压力波动现象,在结构物边界处设置了适合的冲击边界条件。应用修正的SPH模型模拟了规则波对浪溅区结构物的冲击作用,给出了结构物附近流场和压力场的变化特征,并应用物理模型试验结果对数值模型进行了验证。     

波浪与大开孔消浪结构作用非线性数值模拟

基于二维Laplace方程和边界条件,经过Green转换得到以势函数及势函数法向导数为未知量的积分方程。结合0-1混合型边界元和分区边界元方法建立一个适用于求解波浪与大开孔消浪结构相互作用的强非线性波浪变形数值模式,同时给出开孔板上波动压力的计算方法。通过数模与物模结果对比,该数值模式具有较好的精度,可应用于开孔沉箱防波堤消浪效果的计算和研究,其处理原则对其他低反射海工结构物计算也将有适用性。     

均匀倾斜水底上非线性波浪的传播与变形Ⅰ——非线性波动

本文以倾斜水底为边界条件,用摄动法求解二维非线性流体力学方程组,得到一种非线性波动群,其一阶近似与Biesel提出的势函数相同,文中对二阶近似进行了数值计算并就此解讨论了波浪破碎前的波动特性,特别包括了平均水位的下降,将所得结果与实验资料以及其他理论在其各自实用的有效范围内作了比较,结果表明,就波浪自深水至浅水传播的整个过程来说,本文提出的理论有更广泛的有效应用范围。     

海底浅层气的地震波场模拟与特征

考虑海底介质的黏滞性,讨论了二维黏弹性波动方程,建立了包含密度、品质因子等物性参数的海底浅层气模型来精确描述目标,采用数值模拟的手段,正演计算了地震波在团(块)状浅层气、高压气囊、下凹气道、气底辟等4种不同海底浅层气模型中的传播响应。为了有效地压制在粗网格下差分计算产生的数值频散,将通量校正传输(FCT)算法应用于波动方程的求解中,提高了地震波场模拟的精度和运算效率。通过计算获得了不同储存层条件下海底浅层气的地震波剖面特征,得到了典型声学剖面识别标志,为海洋地质灾害勘察提供了一种有效的科学研究手段。     

基于紊流随机理论的航槽三维流动数学模型

根据窦国仁的紊流随机理论，建立了一种模拟河口海岸水域中航槽三维流动的数学模型。采用控制体积法导出三维偏微分方程的离散格式；将水压力分解为动水压力和静水压力，用Patankar和Spalding提出的压力校正法求解动水压力，通过求解水位控制方程来得到自由表面；紊流模型采用安国仁提出的紊流随机理论，克服了k—ε模型中采用各向同性紊动粘滞系数的不足，而k—ε模型可作为紊流随机理论的一个特例。该模型计算了各种不同挖深比，各种航槽与水流交角的航槽流速分布，利用该模型计算得到的挖槽中的流速分布与水槽及水池试验资料相吻合。利用该模型可为开敞水域中开挖航槽的选择提供依据。     

波浪作用下潜标拖缆动力学分析

对三维潜标拖缆在规则波作用下的动力响应进行了研究,首先基于集中质量法给出了缆绳在规则波作用下的控制方程,然后提出了两种不同类型的自由端边界条件:质点型和艇型自由端边界条件,前者把拖体视为作三个自由度线运动的质点,而后者把拖体视为作六自由度运动的艇体,最后用有限差分法进行了数值研究。数值计算结果表明潜标拖缆在规则波的作用下,不仅作近似的简谐振动,还会在横向、垂向产生一个偏移量,该偏移量的大小随浪向角的变化而变化,另外受遭遇频率的影响,振动的幅值也随浪向角的变化而呈现不同的特征。     

大辽河口海域环境容量计算和承载力预警技术研究

以2019年大辽河口海域水环境调查资料为基础,构建了二维流体动力学方程和水质控制模型,运用保守物质扩散方程,求得污染源排放量-输出响应浓度相关方程,用反演迭代法计算该海区污染源的环境容量。按照海洋功能区划水质标准,以不同类型功能区管理环境要求为控制目标,计算污染物COD、无机氮和磷酸盐的标准环境容量。按污染物承载力等级标准来评价,该海区环境承载力的结果为COD和磷酸盐可载,无机氮严重超载。最后,利用计算机语言编写的海域污染物承载力预警系统对海域环境承载力进行评价和预警。