近岸区波浪场数值模拟的研究与进展

地国内外近年来近岸波浪场数值模拟的几个主要计算模式的研究和进展概况进行了较为系统的阐述,首先对工程实际中经常使用的线性模型和非线性模型的发展,包括其范围、求解途径等方面进行了评述;然后,在论述波浪共存时波、流场耦合计算的基础上,重点总结了在近岸区存在流场时的模拟方法,最后指出了几个可能的可能趋势。     

珠江河口西南风强迫下潮流场的数值模拟

采用Backhaus三维斜压模型模拟了均匀西南风场对珠江口近岸海域的影响，并与无风情况作了对比；通过对珠江河口盐度场及风生环流的分析比较，结果表明，模型较为真实地再现了夏季珠江河口的水动力学特性。     

龙口市人工岛周边海域波浪场和水动力场的数值模拟

为了科学的分析离岸人工岛群对周边海岸动力的影响,本文以龙口市人工岛为例,运用MIKE21数值模拟软件建立了龙口离岸人工岛及附近海域的水动力模型和波浪模型,根据波浪的生成、成长和传播原理,针对最有可能形成较大波浪的W、WNW、NW三个方向,采用频率为0.5%(重现期为200a)的高潮位叠加频率为0.5%(重现期为200a)的W、WNW和NW向风作用下的波浪场和水动力场进行数值模拟研究,给出了高潮位条件下人工岛周边不同波向对应的有效波高和最大波高值,以及最大流速和流向数据,可为人工岛群的地坪标高确立和防浪建筑物的布设提供科学依据。     

胶州湾潮流场的示踪粒子数值模拟研究

本文采用直角坐标系统,矩形网格技术,将ECOMSED模式应用于胶州湾内粒子运动轨迹模拟试验。在ECOMSED模式三维水动力模块基础上,启用保守粒子的示踪模型,模拟粒子在湾内的运动轨迹,得到胶州湾排污口污染物在湾内表、中、底3层的运动路径,从而为排污口选址和陆源污染治理方案提供环境依据,以达到使湾内及附近海域受污染最低的目的。通过模拟获得了胶州湾及其附近海域三维潮流水平与垂向分布结构,以及此海域的若干个流涡的水平分布状况。粒子示踪的模拟结果表明,粒子的运动轨迹与湾内流速流向相一致,即示踪粒子的运动轨迹与湾内流场有关,此外也受到粒子释放时刻的影响,高潮时释放的粒子更容易向湾外漂移,利于污染物的输运。     

长江口水动力场、浓度场数值模拟网格生成技术的研究

为很好地拟合研究区域长江河口的复杂边界及计算水域，本文在曲线坐标系下建立了贴体正交曲线网格生成的泊松方程变换，选择了适当的聚并函数以调节网格疏密程度。所生成网格的结果同时也与拉普拉斯方程变换的结果进行了比较，分析表明效果良好，可用于含有小岛的长江口多连通域的网格划分。     

波浪数值模拟的可视化研究

研究了数值计算中对波浪场数据进行处理的可视化系统,利用VB和MATLAB混合编程实现了数值模型计算边界条件的输入以及计算结果数据的可视化处理问题,并介绍了系统实现的操作过程。有效提高了数值计算结果的分析效率,对改善分析计算的工作环境有积极的意义。     

不同初始场对台风Khanun模拟效果的影响及其暴雨过程的螺旋度分析

利用中尺度非静力MM5模式,在NCEP和JMA两种初始场方案下,对2005年严重影响我国的15号台风Khanun的登陆过程进行了数值模拟,模拟结果的对比分析及其与观测的比较表明:台风对初始场十分敏感,JMA初始场方案在台风路径、强度和暴雨预报上较NCEP初始场方案都有显著改善。利用JMA方案高分辨模拟结果,对台风暴雨过程的螺旋度特征进行了诊断分析,结果表明:暴雨区上空螺旋度呈高层负值区,低层正中心分布,低层700hPa和850hPa螺旋度高值中心位置和强度演变对未来6h暴雨落区与强度有一定指示意义。     

新仙女木期古黄海潮流场的数值模拟

新仙女木事件发生时(12.9～11.6 cal.kaBP),中国东部陆架海平面在-66 m等深线附近振荡徘徊,海水进入到现代北黄海南部,黄海形成了一个狭长的通道型海湾。运用环境流体动力学模型(EFDC)对这特殊的狭长通道型海湾潮流场进行数值模拟,计算中采用水平方向上的曲线正交坐标与垂直方向上的Sigma坐标相结合以及三维数学模型二维化的方法。模拟结果显示当时的潮流场非常的强,水深较浅的区域多为旋转流,水深较深的中间槽部区域多呈往复流,不断冲刷底部,带走悬浮泥砂。进入黄海后,潮波从前进波转变成旋转波,并在西岸出现两个发育不完全的无潮点。潮余流在古黄海西部及中部海域一致向东南和南向流动,并且流速较大,但在口门处流速减小,海湾中部冲刷起的底部沉积物可能被余流带出并沉积下来形成济州岛西南泥质区。而在东部海域,余流具有向北流的趋势,从而在古海湾的中央区域形成一个较为明显的逆时针向环流,很有可能是韩国西南现代泥质区接收泥质沉积的开始。南黄海东侧发育的潮流沙脊群的延伸方向及潮流砂的粒度组成和古黄海的潮流场有很好的对应关系,新仙女木时期波动较小的海平面和稳定的潮流场是潮流沙脊群形成的有利因素。可以说新仙女木期的海流、潮流和潮...     

采用泵喷补偿技术的近底拖体水压场数值模拟研究

采用标准 k-ε 模型,结合 Fluent 软件,对采用泵喷补偿技术的拖体水下被拖行运动所产生的压力场变化进行了数值模拟实验。结果表明：采用泵喷补偿技术对拖体水压场的“马鞍形”分布特性影响较小, 但随着喷水速度的增加,拖体首端压力负值略有增加,而中段的负峰幅值显著增加,当喷水速度达到一定值后,拖体的压力特性曲线已经较为接近期望值,证明泵喷补偿技术具有一定的可行性。     

海坛海峡二维潮流场数值模拟

海坛海峡为南北狭长型海峡，海峡内潮波属于前进波．本文建立了平面二维浅水波数学方程，利用欧拉-拉格朗日差分方法得到数值解，模型采用随时间变化的动边界技术，成功地模拟了海坛海峡的前进波特征，并根据实测数据进行了验证．同时计算了同潮时线和等振幅线，不同时刻的潮流场和潮流平均流速分布．计算结果表明，北部湾口M2分潮高潮时间比南部湾口早约5～6min，等振幅线范围约为2．12～2．15m．海峡内流速分布呈南北强、中间弱的特点，最大流速1m／s左右．     

感潮河段潮流数值计算

应用圣维南方程组、普赖斯曼隐格式及双扫描解法等提出了感潮河段洪潮遭遇的非恒定流数值计算模型，并对感潮河网中所常见的边界条件进行了分析研究。计算与实测结果比较表明，所采用的方法有效可行。     

穿山半岛北侧近岸"回流"现象的二维数值模拟

通过对穿山半岛北部海域定点潮流观测及表层海流漂流迹线跟踪资料的分析,螺头水道南侧的流场可分为3个流区:即主槽的主流区、靠近岸线的回流区及岬角之间的次生回流区,各流区的流场呈现不同特点.基于实测资料,采用正交曲线网格建立了二维潮流数值模型,对研究区的"回流"现象和"次生回流"现象进行了模拟,模拟结果显示:研究区流场模拟计...     

椭圆余弦内波及其对墩柱作用数值模拟

基于FLUENT软件建立数值波浪水槽,研究椭圆余弦内波及其对墩柱的作用。椭圆余弦内波的生成采用推板造波方法,自由面捕获采用VOF方法。首先,模拟了椭圆余弦内波的生成,比较了不同周期和波高下椭圆余弦内波的波浪形态。然后,在特定的周期和波高条件下模拟了三维椭圆余弦内波对单个墩柱及多个敦柱的作用;分析了各墩柱上受到的惯性力和粘性力的变化趋势,并对不同墩柱下的总波浪力进行了对比;得出了墩柱上受到的波浪力也呈现周期性变化并且在波浪前进方向上后墩柱的受力小于靠前墩柱的结论。     

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.     

万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆流场数值模拟

耐压结构是深海潜器的重要组成部分,但在深海的高压环境中却存在内爆的风险。为研究陶瓷耐压结构水下内爆的流场特性,使用针对可压缩多相流问题开发的开源代码,采用直接数值模拟,应用自适应直角网格,对两种压力条件下的耐压结构水下内爆进行了数值模拟。通过低压模拟结果与理论解和试验值比较,验证了模拟方法的有效性,进而开展万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆模拟。分析发现：陶瓷耐压结构发生内爆后,其内部气腔存在多次压缩—反弹现象,深海环境压力越大则反弹越不明显;气腔反弹阶段,在结构外部将产生数倍于深海环境压力的冲击波,且传播速度接近声速;冲击波压力峰值与到球心距离呈负指数幂函数关系;在相同深海环境压力下,耐压结构外部监测点的冲击波压力与球体半径呈正比例关系。     

天然河道非恒定流数学模型原理及应用

利用Preissmann四点带权隐式差分技术,建立了天然河道非恒定流数值计算模型。并对计算中所涉及的一些关键技术问题进行了较为详细的阐述。由黄河下游282km河段、历时130d的数值模拟结果显示,计算流量过程线与沿途水文站实测值吻合良好,进而说明本模型能够用于天然河道洪水演变计算。     

三种叠放形式的圆管型人工鱼礁流场效应数值模拟与PIV试验研究

人工鱼礁单体按不同的数量和排列方式组合投放会产生不同的流场效应。圆管型礁为目前黄渤海区增殖礁的重要礁体型式,为优化该礁体的投放数量与排列方式,选择了3种不同叠放个数(1个、3个和6个)的圆管礁,设定了5个流速梯度(4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s),利用PIV粒子图像测速技术和Fluent数值模拟软件对圆管型人工鱼礁的流场进行水槽模型试验和数值模拟。结果表明,数值模拟结果与水槽试验结果基本吻合,误差在20%以下,表明数值模拟能够反映人工鱼礁的流场效应;当礁体叠放个数一定时,最大上升流流速、上升流高度和上升流面积均随来流速度的增加而增大,背涡流面积呈现不规则的变化;当来流速度一定时,最大上升流流速、上升流面积、上升流高度和背涡流面积均随礁体叠放个数的增加而增大。     

Numerical simulation of the influences of sinker weight on the deformation and load of net of gravity sea cage in uniform flow

1IntroductionThe fish farming and aquaculture industry areexpanding and the demand for suitable locations forfish farms is increasing.In the future,more of thefish farms will be located offshore,as the number ofsuitable nearshore locations is limited.Futu…     

动波浪壁圆柱绕流三维数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent开展了三维动波浪壁圆柱绕流的数值模拟,建立了三维运动波浪壁圆柱模型,通过C语言自编程序实现波浪壁面的运动控制,并保证壁面变形时网格的高质量。在来流速度u=0.125 m/s、雷诺数Re=12 500的情况下,开展了动波浪壁波动速度w=0、0.062 5、0.125、0.187 5 m/s四个工况的计算分析,并比较了不同波动速度对流场结构、升力、阻力特性的影响。结果表明:动波浪壁圆柱能有效抑制流动的分离,消除交替脱落的尾涡,从而消除周期振荡的升力;在消除卡门涡街的同时,圆柱后驻点处的涡量值随波动速度增加而增加,其原因在于波形移动加大了壁面流体的速度,从而减小了圆柱前后的压力差,减小了阻力;随着波动速度的增大,平均阻力系数呈明显下降趋势,当波动速度为来流速度的1.5倍时,平均阻力系数相对于光滑圆柱下降了53.76%。     

A coupled CFD-DEM simulation of upward seepage flow in coarse sands

Abstract

The suction anchor becomes more popular for offshore oil and gas industry in deeper water. For suction anchor–soil interaction, the prediction of hydraulic conductivity of porous materials is a long-standing problem in offshore engineering. To investigate the hydraulic characteristics, an upward seepage flow through saturated sands is considered in this study. A numerical approach, which is able to describe the fluid–particle interaction at particle scale, has been employed to analyse fluid flow in sands. This approach is constructed by adopting a coupled discrete element method and computational fluid dynamic approach (CFD-DEM numerical model). The coupled CFD-DEM approach is first benchmarked by a classic geomechanics problem where analytical solutions are available, and then employed to investigate the characteristics of upward seepage flow in coarse sand columns. Through numerical modelling, the predicted relation between hydraulic gradient and flow velocity is obtained and it is compared with the classical analytical correlation. The effect of several bulk and micromechanical parameters including packing porosity, particle size combination and inter-particle rolling resistance on the flow characteristics is numerically examined. The results show that the particle polydispersity and packing porosity have significant effect on the hydraulic conductivity in the seepage flow. The introduction of inter-particle rolling resistance can change initial packing structure of particle assembly in some extent rather than the hydraulic conductivity from the particle shape effect perspective. A further development of numerical model, in which the effect of non-spherical particles on the seepage flow, will be carried out later.