浅水中浮体在波浪作用下运动的三维时域计算模型

港口中系泊船在波浪作用下运动问题的本质是浅水波浪与浮体的相互作用。与深水情况不同,浅水问题应当考虑水底、水域边界的影响及浅水波浪自身的特性,单一模型很难实现该模拟过程。为此,建立了Boussinesq方程计算入射波和Laplace方程计算散射波的全时域组合计算模型。有限元法求解的Boussinesq方程能使入射波充分考虑到水底、水域边界的影响和浅水波浪的特性;散射波被线性化,采用边界元法求解,并以浮体运动时的物面条件为入射波和散射波求解的匹配条件。该方法为完全的时域方法,计算网格不随时间变动,计算过程较为方便。通过与实验及其他数值方法的结果进行比较,验证了本模型对非线性波面、浮体的运动都有比较理想的计算结果,显示了本模型对非线性问题具有较好的计算能力。     

波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟

基于船舶操纵性运动方程和拖缆的三维动力学运动方程,提出了被拖点位置匹配的方法,建立了拖船—拖缆—被拖船系统整体非线性拖带动力学模型。为了考察被拖船航向稳定性与横向稳性的关系以及波浪载荷作用的影响,被拖船采用水平面四自由度运动方程,并引入了波浪的作用力和力矩。拖船采用PD控制方法较真实地模拟了拖船航向改变的运动过程。对一个拖船—拖缆—被拖船系统(5 000 t的拖船和3 000 t的被拖船)在时域内进行了规则波浪作用下拖带运动的模拟,计算结果表明被拖带船舶在波浪中运动呈现运动稳定、不稳定和临界状态3种可能的特性。根据模拟计算结果,认为波浪中拖带航向稳定是被拖带船舶保持稳性的必要条件。     

波浪作用下带月池结构船体运动数值预报

流体在月池内发生共振时,有可能给船舶带来多种危险。建立基于N-S方程和VOF法的三维数值波浪水池,通过实现船体与波浪的耦合运动,对月池内流体发生活塞运动共振情况下的船体运动做出了数值预报,研究了船体运动和月池内流体运动的相互影响。通过与无月池结构船体运动对比,得到了共振情况下月池内流体活塞运动会增大船体垂荡运动的结论;通过与船体静止情况下月池内流体运动的对比,得到了船体运动会增大月池内流体活塞运动的结论。另外还研究了月池内的流场变化,以研究月池振荡的机理。     

波浪作用下海床孔压累积过程离散元数值模拟

海床土层在波浪的循环荷载作用下会逐渐累积孔压,降低土层的稳定性,并威胁海上工程。为了研究孔隙水压力的累积机制,本文提出离散元孔隙密度流方法,并改进研发离散元分析软件MatDEM,实现了海床沉积物孔压的累积过程模拟。基于现场试验装置及土体力学参数建立离散元模型,通过对比试验和数值模拟结果发现:对海床沉积物施加波浪荷载后,表层土体中产生较高孔压,并逐渐向深层传递;在循环波浪荷载作用下,土颗粒间孔压累积范围逐渐增加;当孔压累积时间足够长时,土层中孔压收敛于所施加最大荷载与最小荷载的平均值,此时若孔压达到初始有效应力,土体将发生液化,内部土颗粒成为再悬浮沉积物;在周期性波浪荷载作用下,土颗粒液化悬浮后发生移动,浅层颗粒位移量大,土体整体表现为圆弧形移动。     

植被对波浪作用下床面切应力影响的数值模拟分析

本文基于OpenFOAM建立三维波浪数值水槽,模拟计算植被水域波浪作用下的床面切应力,分析了入射波高、植被密度、植被淹没高度、水流对植被水域波浪作用下床面切应力的影响。结果表明：纯波时,由于植被的阻水作用,植被水域床面切应力沿程衰减,其衰减程度与入射波高、植被密度及植被淹没高度呈现正相关;与纯波时相比,在波浪和同向流共同作用下正向床面切应力幅值增大,负向床面切应力幅值减小;弱水流对植被水域床面切应力的大小及分布无明显影响;强水流时,床面切应力在植被水域先增大后逐渐减小并在植被水域后显著降低。     

黄海西朝鲜湾波浪潮流共同作用下二维潮流泥沙数值模拟与砂矿成矿分析

黄海西朝鲜湾是潮流流速特别高、潮流沙脊群发育明显的特殊水动力沉积区，具有砂矿成矿的有利条件。为了分析其成矿特征，论文采用波浪潮流共同作用下的潮流泥沙数值模型，计算模拟了各级波浪潮流作用下的海底冲淤状态和总输沙量，并按形成年代、主要分选控制因素分析了砂矿的成因及漂沙分选方式。结果表明，本区砂矿属于波浪潮流控制型现代滨海区砂矿，其成矿方式为潮流与波浪掀沙、潮流输沙、风暴浪混沙。研究海域类似一个巨型砂矿分选机，分选强度有利于成矿的区域大多为0～20m水深海域，矿层可延续到风爆浪的最大冲刷深度。     

一定厚度的油膜对海浪的抑制模型研究

本文结合海浪谱的作用量平衡方程,给出了一定厚度油膜对海浪的抑制模型,该模型不仅与油膜的物理参数有关,而且与环境参数有关。文中开展了抑制比对这些参数的敏感性分析,数值模拟结果表明:动力学粘性,表面/界面弹性、油膜厚度、油膜覆盖率等参数对抑制比的影响较大,但油膜的其他物理学参数如:密度、表面/界面张力,表面/界面粘度几乎对抑制比不产生影响;而且,文中还发现风速和风向对抑制比的影响较大。一般情况下,油膜对雷达回波信号的抑制,只需考虑油膜对海浪的抑制作用;但对厚乳化溢油而言,还应考虑到介电常数的减小对雷达回波信号的抑制。将本文建立的抑制比模型所得结果与墨西哥湾溢油事故期间的15景ENVISAR ASAR影像所得抑制比结果进行了比较。