内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程,并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料,模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征,同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征,即两波相交处相速随振幅的增大而变大。相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势。     

孤立波低顶海堤越浪的数值模拟研究

灾害性波浪是中国沿海地区最具破坏性的自然灾害之一。采用开源程序OpenFOAM中interFoam求解器,对低顶海堤（在风暴潮和海平面上升情况下所面临的不利工况）的孤立波越浪特性开展数值模拟研究。通过孤立波冲击海堤的基准算例,验证模型在模拟波浪爬升和越浪过程中大变形波面以及剧烈波浪力方面的精度。基于验证的数值模型,对孤立波在低顶海堤上的越浪特征以及防浪墙高度对越浪的影响开展参数化研究。结果表明堤顶超高减小导致更为剧烈的越浪。针对尚无低顶海堤孤立波越浪量经验公式的问题,提出新的适用于堤顶超高小或为0的孤立波越浪量经验公式。此外,研究发现增加防浪墙高度可有效减少越浪,但防浪墙所受的波浪力也增大。综合考虑防浪墙减少越浪以及自身所受波浪力,针对文中研究采用的海堤截面和波浪条件,建议无量纲防浪墙高度取为1.00。     

孤立波作用下植物带消浪效果影响因素分析

近岸植物带能有效削弱波浪作用,植物带消浪影响因素分析对布置护岸工程、维护岸线稳定有重要意义。在模型实验基础上,探究相对波高、模型相对宽度、模型相对高度和体积分数对透射系数的影响。设置波浪水槽试验,研究孤立波在不同水深、入射波高及植物排布方式等组合条件下对植物消浪效果的影响。采用遗传编程法得出各复杂度下的透射系数计算公式,并分析各参数在方程中的表现情况,发现遗传编程能定性给出参数的敏感度。相比于非线性回归拟合结果,遗传编程方法得到的函数关系更加精确。采用人工神经网络方法进一步分析与验证各影响因素对植物消浪效果的影响程度,结果表明人工神经网络得出的结果与遗传编程方法相近,体积分数对消浪效果起主导作用。     

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。     

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.     

SPH方法的孤立波与部分淹没结构物相互作用数值计算研究

为研究孤立波作用下结构物周围流场特征,基于无网格SPH方法,建立孤立波与海洋结构物相互作用模型,对不同波幅孤立波作用下部分淹没矩形结构物周围波面、流速、涡量及结构受力特征进行计算分析,探索了相对波高对非淹没结构物周围流场的影响规律。结果表明:流场特征与相对波高密切相关,相对波高较小时,波面、流速、涡量及结构荷载均较为光滑,相对波高在0.2以上时,波峰爬升至结构物顶部并在越过结构物后与水槽内水体碰撞造成流场波动,波面、流速、涡量及结构荷载的波动幅度随着相对波高增大而增大,流场更加复杂,结构物水平和垂向负压也越大,且结构物周围涡分布逐渐向深度方向和下游方向发展。     

陡坡上孤立波爬高的数值模拟

波浪爬高是海岸工程中重要的水动力学问题之一,其数值模拟方法通常是通过离散Navier-Stokes方程或Boussinesq方程实现的,其中基于光滑粒子流体动力学方法是近年发展起来的。本文应用该方法模拟相同水深下,不同波高的孤立波在45(°)陡坡上的爬高,模拟结果与理论计算结果及已有物理模型试验结果进行了对比,并模拟出孤立波激散破碎过程及粒子分布和速度场的变化过程。结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,说明光滑粒子流体动力学法在波浪爬高计算中的有效性。     

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。     

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。     

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。     

Numerical simulation of interaction between internal solitary waves and submerged ridges

Direct numerical simulations are performed to study the transformation of internal solitary waves (ISWs) of depression type propagating over an underwater ridge in a two-layer fluid system. Bottom ridges with relatively smooth vertex are employed to represent sills in natural lakes and oceans. Consistent with previous experiments, three interaction types (weak, moderate and strong) are observed to be based on the energy loss. In addition, the moderate interaction are found to be categorized into transmitted and reflected type according to their distinct transformation process. General flow characteristics for ISW–ridge interaction in the benthic boundary layer and in the pycnocline is monitored and analysed. A modified degree of blocking B_m considering both the nonlinear effect of incident ISWs and the blockage effect of the submerged ridge is proposed. Different ISW–ridge interactions are discovered to be linked with B_m. Maximum wave-induced velocities, wave energy losses, reflected and transmitted wave amplitudes are found to have a self-similar feature with B_m. The maximum energy loss is up to 35% and the maximum wave-induced velocity can reach 1.8 times of the phase speed of the incident ISW. Empirical equations are obtained based on the data fitting to predict some useful physical parameters during ISW–ridge interaction.     

波浪与起伏水平板防波堤相互作用数值模拟

利用自主研发的基于紧致插值曲线CIP(constrained interpolation profile)方法的数学模型,开展规则波与起伏水平板防波堤相互作用的数值模拟研究。模型在笛卡尔直角坐标下建立,以CIP方法为流场基本求解器,分步求解Navier-Stokes方程,利用高精度的流体体积类型的THINC/SW (tangent of hyperbola for interface capturing with slope weighting)方法重构自由液面,采用浸入边界IBM(immersed boundary method)方法处理波浪与起伏板防波堤的耦合作用问题,通过动量源项造波方法模拟波浪的产生。重点关注波浪的浅水变形和板两端涡旋脱落的非线性现象,分析不同潜深、波要素下的板周围流场分布、板的运动响应和波浪的反透射系数。结果表明:起伏水平板主要通过能量反射、板上浅水变形和板两端的涡脱落消能,能有效减小板后波高,具有作为防波堤的可行性。     

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。     

Numerical study on the effect of submerged depth on the horizontal plate wave energy converter

The growing search for clean and renewable energy sources has given rise to the studies of exploring sea wave energy. This paper is concerned with the numerical evaluation of the main operational principle of a submerged plate employed for the conversion of wave energy into electrical one. The numerical model used to solve the conservation equations of mass, momentum and transport of volume fraction is based on the finite volume method （FVM）. In order to tackle with the flow of mixture of air-water and its interaction with the device, the multiphase model volume of fluid （VOF） is employed. The purpose of this study is the evaluation of a numerical model for improvement of the knowledge about the submerged plate wave energy converter, as well as the investigation of the effect of the distance from the plate to the bottom of the sea （HP） on the performance of the converter. The simulations for several distances of the plate from the seabed show that the optimal efficiency is 64%, which is obtained for HP=0.53 m （88% of the depth）. This efficiency is 17% larger than that found in the worst case （HP=0.46 m, 77% of the depth）.     

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。     

跃层厚度对内孤立波能量耗散的影响

内孤立波破碎混合是陆架地形上海洋混合过程重要的能量汇,为了探究内孤立波在连续跃层密度分层中能量变化及能量耗散规律,本文使用OpenFOAM建立数值水槽,基于双曲正切曲线设置连续跃层密度分层开展了一系列工况的模拟,针对跃层厚度对内孤立波能量传递及其耗散进行了详细分析。结果表明跃层厚度与跃层处流速剪切存在着负相关关系,随着跃层厚度的增加能量耗散先减小后增大。跃层厚度较小时,跃层处流速剪切强,理查德森数小,易产生开尔文-亥姆霍兹(Kelvin–Helmholtz)不稳定现象;随着跃层厚度的增大,流速剪切减小,理查德森数增大,开尔文-亥姆霍兹不稳定消失;跃层厚度达到临界值后,层结稳定性减小,理查德森数减小,流场的翻转混合过程加强,能量耗散也明显增强。     

沿程非均匀分布植物区对海啸波消减的数值研究

为研究近岸植物的非均匀分布对海啸波的消减作用,采用非静压单相流模型计算了5种不同密度分布植物与孤立波的相互作用,分析不同密度分布植物对海啸的消波特性。结果表明在植物总株数相同时,具有不同分布密度植物的消波效果相近,透射波波高差小于3%、最大流速差小于5.4%,但是不同植物密度分布情况下植物区前的反射系数有所不同,反射系数最大差为80.2%。此外,所有分布的植物区对波高和流速的透射系数随着波高和植物区长度变化的趋势是一样的,在不同入射波高和植物区长度情况下5种分布均呈现出相似的沿程衰减机制。