局部微分求积法的深水包络孤立波数值模拟

利用局部微分求积法(LDQ)对非线性薛定谔(Schr dinger)方程进行数值求解,分别模拟了单深水孤立波运动,同向双深水孤立波追赶碰撞耦合运动,高阶孤立波振动和孤立波的反射与透射现象,得到各情况下的数值结果。从数值模拟及图像中揭示非线性薛定谔方程的性质和特点,阐述深水孤立波形成的物理意义、运动方式和运动规律,分析在不同初值条件下波形的变化特点,验证了LDQ法对该类问题的有效性。     

基于InterDyMFoam的潜礁孤立波传播数值模拟

建立了基于OpenFOAM动边界的类fixedValuePointPatchVectorField继承的仿物理造波数值波浪水槽。对孤立波在三种不同潜礁地形上的行进、爬坡以及破碎等典型过程进行数值模拟,模拟结果与Boussinesq模型及物理模型试验所得结果进行了对比分析。结果表明,采用动边界进行仿物理造波更适合处理波高水深比较大的孤立波传播问题,可以较好地模拟孤立波在潜礁上传播引起的波浪破碎、水跃等现象。     

内孤立波作用下半潜平台荷载及其周围流场数值模拟研究

内孤立波对海洋平台的安全运行存在一定的威胁,基于三维数值水槽对内孤立波传播引起的半潜平台受力及其周围流场的分布进行了数值模拟研究.通过与试验对比,分析了入射波幅和分层流体深度比对半潜平台上内孤立波荷载特性的影响规律,验证了数值模拟结果是准确可靠的.研究表明,内孤立波引起的平台荷载会随着内孤立波波幅的增加而增大,随着分层流体深度比的增加而减小.基于对平台周围剖面速度场和三维涡场的演化规律研究,发现在内孤立波传播过程中,平台周围会出现明显的速度减小区,平台周围会有大量的漩涡产生并发生脱落现象.     

基于OpenFOAM波浪-植物相互作用的数值模拟研究

海岸带盐沼植物能够减小波浪流速、削弱波能,具有生态缓冲功能,研究河口海岸盐沼植物对波浪的消减机理对于近岸区域的固岸护堤具有重要意义.本研究利用开源CFD软件包OpenFOAM建立三维数值模型.首先模拟了溃坝波越过三角障碍物及孤立波在斜坡海岸的爬坡过程,结果显示OpenFOAM模型可精确地捕捉溃坝波传播和孤立波自由水面的...     

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。     

孤立波爬坡的二维数值模拟

波浪在滩地上以及遇海岸工程后传播发生变形、爬坡等现象,对其进行数值模拟具有广阔的工程应用背景.应用基于Boltzmann方程的KFVS(kinetic flux vector splitting)格式求解二维浅水方程,同时采用干底Riemann解模拟动边界问题.模型模拟了孤立波在滩地上传播变形、爬坡的过程,以及孤立波在滩地上遇圆柱后绕射、变形和爬坡的过程.计算结果与实验结果非常吻合,表明模型具有较大的推广应用价值.     

内孤立波与深海立管相互作用数值模拟

提出了一种对内孤立波与深海立管相互作用耦合数值模拟方法。流场采用内孤立波数值水槽方法进行模拟,结构响应采用基于薄壳理论的有限元方法进行计算,采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的方法,实现了流体与固体之间的耦合数值模拟。对内孤立波作用下某长径比为1 200的深海立管载荷及其动力响应特性进行了数值模拟与分析。结果表明内孤立波不仅会对深海立管产生突发性剪切载荷作用,而且还会使立管产生大幅度变形响应现象,因此在深海立管设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。研究表明,该方法为研究内孤立波作用下深海立管动力特性及其工程预报相关问题提供了一种有效的手段。     

内孤立波数值模拟方法研究

本文选用RNGk-ε湍流模型封闭二维不可压缩N-S方程组,选用KdV、mKdV理论作为输入条件进行内孤立波造波模拟。运用流体模拟软件Fluent建立二维内波数值水槽,用动网格手段实现网格变形模拟物理边界造波法,用VOF方法进行密度分层流体的内界面追踪,对不同非线性强度的二相流内孤立波进行了数值模拟。并将数值模拟结果与KdV、mKdV理论波形以及内波试验水槽所造内孤立波进行对比,验证了此套造波方法在Fluent中进行内孤立波模拟的可行性。     

两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟

提出基于双推板的内孤立波数值造波方法,对两层流体中内孤立波与潜体的相互作用进行了数值模拟,分析不同潜深下潜体所受的内孤立波载荷特性.结果表明,内孤立波对水下潜体的载荷作用是不可忽视的.特别地,当潜体位于内孤立波中时,其所受的垂向力要远比潜体位于内孤立波下时的大.     

孤立波与直墙式多孔介质结构相互作用数值分析

以连续性方程和雷诺平均方程为控制方程,用k-ε模型封闭方程组,采用VOF方法追踪自由面,建立了具有造波和消波功能的二维孤立波数值水槽。并基于改进的Darcy多孔介质模型研究了二维孤立波与直墙式多孔介质结构的相互作用问题。数值分析了孤立波与直墙式多孔结构相互作用引起的流场和波形变化特性,并与文献中的实验结果进行了比较,数值结果与实验结果吻合良好。     

内孤立波数值造波方法及其与理论和实验结果的比较

为评估不同内孤立波数值造波方法,本文基于Kd V、m Kd V和e Kd V三种理论模型,分别采用双推板、平板拍击和速度入射边界三种数值造波方法,对内孤立波进行了模拟,并将数值模拟结果与理论及实验结果进行对比和分析。结果表明:三种数值造波方法均能实现对内孤立波的模拟,但在造波效果及效率方面存在差异。速度入射边界法在造波效果及效率方面都比较好;平板拍击法的造波效果较好,效率略差;双推板法在造波效果及效率方面均略劣于以上两种方法。     

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FLUENT的内孤立波质量源造波方法

为研究内孤立波质量源数值造波方法,本文采用两个点源形式的质量源,分别放置于两层流体的上下层中作为内孤立波激发源。推导源项表达式,从不可压缩流体的Navier-Stokes方程出发,结合内孤立波Kd V、e Kd V理论,基于商业软件FLUENT发展了一种内孤立波质量源数值造波方法。通过数值模拟,分析了质量源造波过程中内孤立波的生成过程,并将数值模拟结果同理论及实验作对比。结果表明:基于此方法生成的内孤立波波形、波高及波致水平速度与理论及实验吻合度较好,该方法是可行的,并且耗时短、效率高。     

完全非线性孤立波的稳态解

报道了应用边界积分方法模拟完全非线性孤立波的传播,给急剧记解的波形,流束和数值计算结果。结果表明,本模型对计算孤立波的传播是有铲的。当ａ／ｈ〉０．３时,自由液面上的水平流速、底部流速和垂向平均流速之间的差别是明显的。三阶Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程的孤立波解比低阶方程的孤立波解更接近本文完全非线性的数值解。     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

先锋孤立子生成的理论平均波阻 Ⅱ.数值研究

基于fKdV方程系数的正则特性，以二维两层流的先锋孤立子生成问题为算例，用数值方法对本文部分（Ⅰ）中的理论平均波阻，能量劈分及能量劈分比进行检验。从理论与数值结果的比较知，理论与数值结果符合得很好。这表明本文部分（Ⅰ）中的理论平均波阻，能量劈分及能量劈分比可用于先锋孤立子生成参数的预报，也表明本文部分（Ⅰ）中的理论可推广应用于二维非线性强迫系统。     

坡度、水深和波高对孤立波分裂影响作用的数值研究

基于有限差分法建立高阶Boussinesq方程的一维数值模型,时间步进上采用三阶预报、四阶校正格式。在验证数值模型适用性的基础上研究了坡度、水深和波高对孤立波分裂位置、主峰和次峰波高大小的影响,证明了孤立波的分裂与非线性特征有关。坡度缓,非线性演化的时间长,孤立波更易分裂,但坡度变缓不会明显增强波浪非线性特征,从而对主、次峰波高影响不大;入射波高大、水深浅(深水水深或浅水水深)的孤立波非线性特征更强,波形更尖锐,孤立波更易发生分裂,且主、次峰波高也越大。     

内孤立波作用下竖直圆柱体的横向力研究

本文对内孤立波作用下圆柱体的水动力特性进行了数值研究。对不同直径、不同水深比、不同浸没深度的圆柱进行了水平方向受力分析,从多个因素出发,研究了内孤立波对水下竖直圆柱的水平作用情况。通过分析水平作用力和力矩的时程曲线,得到内孤立波行进过程中对于圆柱体的横向作用力和力矩与时间的关系。通过对比不同工况下内孤立波横向作用力幅值,得到内孤立波作用力幅值与圆柱直径、水深比以及浸没深度的关系。结果表明,内孤立波横向作用力(力矩)幅值与圆柱直径呈线性相关关系,但与水深比相关关系不明显,随着圆柱浸没深度的增加,内孤立波横向作用力幅值呈现出先增大后减小的趋势。     

有限深两层流体内孤立波非线性数值模拟入口边界条件研究

基于有限深两层流体KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口边界条件,采用理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法。以系列数值模拟结果为依据,结合内孤立波非线性和色散参数的组合条件,给出了选择合适内孤立波理论解作为CFD数值模拟入口边界条件的方法,从而实现了振幅与波形可控的内孤立波完全非线性数值模拟。     

孤立波与带窄缝双箱相互作用模拟研究

针对孤立波与带窄缝双箱的作用问题,应用时域高阶边界元方法建立了二维数值水槽。其中,自由水面满足完全非线性运动学和动力学边界条件,对瞬时自由表面流体质点采用混合欧拉-拉格朗日法追踪,采用四阶龙格库塔法对下一时刻的自由水面的速度势和波面升高进行更新。采用加速度势法求解物体湿表面的瞬时波浪力。采用推板方法生成孤立波。通过模拟孤立波在直墙上的爬高以及施加在直墙上的波浪力,并与已发表的实验和数值结果对比,验证本数值模型的准确性。通过数值模拟计算研究了窄缝宽度、方箱尺寸对波浪在箱体迎浪侧爬高,窄缝内波面升高,箱体背浪侧透射波高及箱体受波浪荷载的影响。同时研究了有一定时间间隔的双孤立波与带窄缝双箱系统作用问题。