规则波作用下台阶地形上墩柱绕流三维数值研究

利用Flow-3D建立三维数值波浪水槽,模拟波浪在不对称台阶地形上的传播。系统研究规则波作用下墩柱周围水流的流动特性,分析墩柱周围的瞬时速度场、涡量场以及KC值变化,不同相位时墩柱前、后水平流速分布情况。结果表明:波浪在台阶地形传播的过程中,墩柱迎水面的涡动结构不够明显;高涡量呈对称状聚集在墩柱的背水面,并形成一对旋转方向相反的涡结构;周期对KC值的影响比波高的影响要明显;墩柱迎水面水平方向流速变化较大,侧面水平流速变化最为剧烈,背面由于受到墩柱的掩护作用水平方向流速变化不大,在墩柱的正面和侧面竖向环流明显。     

波浪动力因素变化对沙质岸滩演变的影响

通过波浪水槽实验,对海平面变化造成的波浪动力因素改变引起的沙质岸滩形态响应开展机理性研究。实验采用1∶10单一沙质斜坡概化岸滩,利用3种不同实验水深模拟海平面变化,考虑椭圆余弦波、非规则波、规则波和孤立波4种类型波浪作用。实验对波浪在斜坡上的传播变形、破碎、上爬和回落过程的波高及波浪作用后的岸滩地形进行了测量。实验结果表明,椭圆余弦波、规则波和非规则波作用下,平衡岸滩呈现出滩肩形态,孤立波作用下则呈沙坝形态。海平面上升造成波浪动力增强,沙质岸滩平衡剖面形状基本保持不变向岸平移,槽谷、滩肩、沙坝位置以及岸线蚀退距离,均呈现出良好规律性。     

浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力

本文基于一阶近似椭圆余弦波理论研究了浅水区非线性波浪对圆柱墩群的绕射作用,推得了计算圆柱墩群上的非线性波浪力的计算公式。为验证所得的理论成果,在大连理工大学沿岸工程国家重点实验室的波浪槽内进行了模型试验,试验的波浪范围,其特征波周期T(g/d)~(1/2)=8.08～22.86,特征波高H/d=0.1～0.45.理论计算结果与试验结果吻合良好.研究表明,浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力较之通常采用线性波理论的计算结果为大,其增大值随波浪非线性的增强而增大,可达相当大的数值。在本文计算和试验的范围内,最大可增大至4倍以上。建议当T(g/d)~(1/2)≥8时,应采用椭圆余弦波理论来计算波浪力。     

基于RANS方程的桩式U-OWC装置波浪荷载分析

使用OpenFOAM建立基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型的三维数值水槽，对桩式U-OWC装置在不同周期和波高的正向入射规则波作用下的受力情况进行分析。首先将数模结果与物理试验结果进行对比验证校核，然后通过数值模拟对装置的受力情况进行了分析，分别研究了作用在装置上作用力和倾覆力矩特点，装置上作用力和倾覆力矩随周期和波高的变化情况，以及装置稳定性极小状态。研究表明，装置所受到波向力、垂向力相比侧向力数值较大，对倾覆力矩起决定性作用。对装置上作用力和倾覆力矩进行无量纲分析，进一步发现在测试工况范围内，装置所受到的3个方向作用力中侧向力随周期变化不明显，明确了装置前的波浪爬高对装置波浪荷载和力矩的影响，并针对U-OWC模型特点和具体工况应用一个波浪爬高经验公式，获得了较好效果。     

实验室中椭圆余弦波的产生

波浪从深水传入浅水后,波面形状发生了变化,波峰变陡,波谷变平,呈现出非线性波的特征,当波长与水深之比大于8时,这种波形用椭圆余弦波来描述是比较合适的.目前,非线性浅水波对近岸建筑物的作用已引起许多学者的兴趣,开展了这方面的研究,如椭圆余弦波对墩柱的作用力.因此,实验研究浅水波对建筑物的作用是必不可少的手段之一,这就提出了如何在实验室中产生波高较大、非线性较强的波浪.人们在实验中早就发现,在波浪槽中产生浅水非线性波是十分困难的.按正弦曲线运动的推板产生的波面有明显的次峰,而且作者还注意到,若波高大于0.45倍水深,产生的波浪不稳定或破碎.造成这些问题的原因之一是推板运动速度与水质点运动速度不一致.     

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。     

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。     

非线性波浪作用下埋置管道上波浪力简化计算

由于浅水区波浪的非线性影响显著,浅埋管道受非线性波浪荷载的影响大,为了保证管道长期运行的稳定性,在管道设计过程中需要充分考虑由非线性波浪引起的波浪力。考虑孔隙水和海床土的压缩性,基于Biot固结理论和一阶近似椭圆余弦波理论,利用分离变量法推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力,进而给出了埋置管道上的波浪力压力解析解,并与已有的文献结果进行比较。计算结果表明,在椭圆余弦波的作用下,海底管道周围海床内的渗流压力呈正弦分布,且管道所受的波浪力随着管径的增大而增大。     

圆柱形沉浮式深海养殖网箱的受力分析

应用一系列力学关系，研究了深海圆柱形沉浮式养殖网箱所承受的波浪力情况。导出深海沉浮式养殖网箱的运动方程，并给出数值计算。在网箱波浪力的研究中采用绕射理论和Morison方程，讨论了在波高、波长及周期变化下水动力的变化趋势，得出网箱所受到的水平波浪力远大于竖直波浪力，波高的变化对波浪力的影响最大的结论，为深海网箱的设计校核提供1种参考方法。     

渤海湾风浪场的数值模拟

采用SWAN模型对渤海湾在定常风和非定常风作用下的波浪场进行了模拟，并利用黄骅港附近波浪统计资料对模拟结果进行了验证。结果表明：SWAN模型较好地模拟了渤海湾在定常风和非定常风作用下风浪成长和传播过程。此外，还应用ADCIRC潮流模型，初步探讨了潮流对波浪要素的影响：(1)无流存在时，波高的成长和波周期的变化是一条光滑的曲线，但当有流加入时，由于其流速和水位在一个潮周期内随时间的变化足不均匀的，其对波浪成长产生影响，使波高和周期呈不规则变化；(2)波浪成长初期，流对波高增长的影响并不明显，但当波高增大到一定程度时，流的存在对波高的影响是很明显的。     

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

Nonlinear Wave Force on Pier Group in Shallow Water

Based on the 1st order cnoidal wave theory, the wave diffraction around the pier group inshallow water is studied in this paper. The formulas for calculating the nonlinear wave forces are also presented here. In order to verify the theoretical results, model tests are conducted in the wave flume in The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering located in Dalian University of Technology. The range of the wave parameters in the experiments is characteristic wave period T g/d~(1/2) = 8.08- 22.86, characteristic wave height H/ d= 0.1 ~ 0.45. The results obtained from the experiments agree with the theoretical results quite well. It is shown that, in shallow water the nonlinear wave forces acting on a pier group are greater than those calculated by linear wave theory, the value of increment in wave force increases with the increases of the nonlinearity of the wave. In the wave range studied in this paper, the nonlinear wave force can reach over 4 times the force calculatecd by linear wave theory. Thus, it is suggested that, when Tg / d~(1/2)> 8, the wave force on the piers in the pier group in shallow water should be calculated by using the cnoidal wave theory.     

Numerical study on cnoidal wave run-up around a vertical circular cylinder

A finite element model of Boussinesq-type equations was set up, and a direct numerical method is proposed so that the full reflection boundary condition is exactly satisfied at a curved wall surface. The accuracy of the model was verified in tests. The present model was used to further examine cnoidal wave propagation and run-up around the cylinder. The results showed that the Ursell number is a nonlinear parameter that indicates the normalized profile of cnoidal waves and has a significant effect on the wave run-up. Cnoidal waves with the same Ursell number have the same normalized profile, but a difference in the relative wave height can still cause differences in the wave run-up between these waves. The maximum dimensionless run-up was predicted under various conditions. Cnoidal waves hold entirely distinct properties from Stokes waves under the influence of the water depth, and the nonlinearity of cnoidal waves enhances rather than weakens with increasing wavelength. Thus, the variations in the maximum run-up with the wavelength for cnoidal waves are completely different from those for Stokes waves, and there are even significant differences in the variation between different cnoidal waves.     

三维随机波浪对桩柱的作用

试验研究了三维随机波浪作用于垂直圆柱上的作用力.采用二维波浪的方法计算三维波浪力,研究了各波力系数随ＫＣ数和波浪方向分布的变化规律,并对三维波力和二维波力进行了对比分析.     

聚焦波作用下立柱高阶波浪力特性研究

以方形立柱作为研究对象，对其在聚焦波作用下的波浪力特性进行研究。研究主要基于计算流体力学数值方法，对聚焦波作用下方形立柱在固定、单自由度纵荡、单自由度垂荡三种运动状态下所受波浪力进行研究。利用phase-inversion逆相位分解方法对其高阶力特性进行分析。首先对聚焦波生成方法、数值计算方法与参数设置进行简要介绍，其次展示了三种运动状态下立柱在聚焦波作用下所受波浪力，并对其进行分析，最后利用phase-inversion逆相位分解方法获得高阶波浪力成分并对其载荷特性进行分析讨论。研究发现逆相位分解方法可以有效分离波浪力高阶成分，不同运动状态下立柱所受波浪力会有显著不同。     

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.     

The Nonlinear Wave Force on a Circular Cylinder in Shallow Water

Based on the 1st order cnoidal wave theory, the nonlinear wave diffraction around a circular cylinder in shallow water is studied in this paper. The equation of the wave surface around the cylinder is formulated and by using this formula the wave surface elevation on the cylinder surface can be obtained. In this paper, the formula for calculating the cnoidal wave force on a circular cylinder is also derived. For the wave conditions which are often encountered in practical engineering designs, the ratios of the nonlinear wave forces to the linear wave forces are calculated, and the results are plotted in this paper for design purposes. In order to verify the theoretical results, model tests are conducted. After comparing the test results with the theoretical ones, it is concluded that, in shallow water, for the case of T g / d~(1/2) > 8-10 and H / d > 0.3, the cnoidal wave theory should be used to calculate the wave action on a cylindrical pier.     

Wave Decay and Its Characteristics in Surf Zone

In accordance with the similarity between breaking waves and hydraulic jumps, the expressions for estimating wave decay and wave energy dissipation in the surf zone are derived based on the fundamental equations of fluid mechanics. Using the numerical solution of cnoidal wave theory, the various kinematic properties of waves in the surf zone, including the relative wave crest height, wave energy, and radiation stress are discussed. The values calculated with the method proposed in this paper are in good agreement with the experimental data gained by other researchers. The present expressions can be used in the studies of sediment transport on gently sloping beaches, especially on muddy beaches.     

海底边坡稳定性分析中波浪力的求解

针对浅水区波浪的非线性特性,提出了在海底边坡稳定性分析中应用椭圆余弦波理论来研究波浪力的问题,利用非线性弥散关系建立了新的适用于整个水深范围的椭圆余弦波的近似求解方法.结合工程实例,确立了海底边坡波浪力的计算步骤,并编制了计算程序.