应用二阶完全非线性Boussinesq方程模拟破碎波浪

建立了基于高阶Boussinesq水波方程的一维波浪破碎数值模型。基于一组具有二阶完全非线性特征的Boussinesq水波方程,建立了交错网格下的高精度差分格式,推导了适用于该组方程的永形波解析解,其和松弛造波技术相结合实现了数值波浪水槽中(强)非线性波浪的无反射入射。通过模拟封闭容器内水体晃动问题对数值格式进行了验证,通过模拟孤立波在斜坡海岸上的浅化过程说明了将方程从弱非线性发展到完全非线性的必要性。采用涡粘方法处理波浪破碎,利用物理模型实验数据,分析了模型中各波浪破碎参数对数值结果的影响并对参数进行了率定。应用该模型对规则波在斜坡海岸上的传播、变浅以及破碎过程进行了数值模拟研究,数值结果同实验数据吻合良好,验证了模型的有效性。     

近岸波浪传播的非静压数值模型

基于均匀网格,建立了沿水深积分的非静压波浪传播数值模型,模型的求解分静压步和动压步两部分。静压步的控制方程为全非线性浅水方程,采用有限体积格式求解,通过采用线性重构技术和全隐式离散底摩阻项,保证了格式的和谐性、守恒性和水深非负性,有效处理了海岸动边界问题。动压步通过应用有限差分方法求解泊松方程考虑动压力,使得模型具备模拟色散性波浪传播的能力。引入波浪破碎指标,波浪破碎后模型退化为静压模型,破碎波自动捕捉为间断。通过算例对所建立模型进行了验证。     

一种改进的近岸波浪破碎数值模型

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎.模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟.岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算.用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果.紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡.     

波生沿岸流数值模拟

为了更好地研究近岸海域波生沿岸流,建立了基于高阶Boussinesq水波方程的波生沿岸流时域数值模型。控制方程在中等水深范围内具有较好的色散性和变浅作用性能,同时具有二阶完全非线性特征,适合描述近岸区域波浪强非线性运动。通过采用松弛造波方法实现了非线性波浪的无反射入射,采用周期性侧边界条件模拟开敞边界。通过数值试验,讨论了模型中主要参数对数值结果的影响。利用率定后的参数模拟了均匀坡度海岸上产生的沿岸流,通过和实验数据的对比验证了模型的准确性和适用性。利用模型数值模拟了不同波浪入射条件(包括周期、波高和波浪入射角度)对波生沿岸流的影响。     

复合坡度珊瑚礁地形上波浪破碎的试验研究

通过波浪水槽试验,研究了珊瑚礁地形上规则波的破碎特征,包括破碎类型、破碎波高、破碎位置以及破碎带宽度。试验在带礁缘的复合坡度断面下进行,测试了两种水位下系列波高和波周期相组合的工况。试验研究了波浪破碎类型的区分标准,评估了已有四类破碎指标在复合坡度珊瑚礁地形上的适用性,并给出了描述破碎位置和破碎带宽度的经验公式。结果表明:礁边水深深水波高比可较好地区分波浪的破碎类型;四类破碎指标关系式中以破碎波高深水波高比之于深水波陡的相关性为最优;深水波高和礁边水深是影响破碎位置和破碎带宽度的主要因素,随着深水波高礁边水深比的增大,量纲一破碎位置（破碎点与礁边的距离和礁边处浅水波长的比值）逐渐减小,量纲一破碎带宽度（破碎带宽度和礁边浅水波长的比值）逐渐增大。     

浅水波浪数值模型SWAN的原理及应用综述

概述了模拟海岸、河口的浅水波浪数值模型研究现状、存在的问题以及用能量平衡方程预报海浪的发展历史。介绍了基于当代最新波浪理论研究成果的第三代浅水波浪数值模型SWAN模型,对模型的适用性、数值特性、功能及局限性进行了阐述。介绍动谱平衡方程数学模型、方程离散要求、边界条件的处理和源项(包括能量输入、损耗及波与波之间非线性相互作用)的处理方法,重点介绍三相波非线性相互作用。模拟海安湾有效波高、波周期场,并分析波与波之间非线性相互作用对波浪要素预报的影响,最后对SWAN模型的应用前景和研究趋势进行了展望。     

海岸带波浪破碎区污染物运动的实验研究

由于波浪在岸滩上的演化、破碎使得污染物在海岸带的运动规律变得十分复杂。通过实验模拟,研究了缓坡海岸(坡度为1:100和1:40)波浪破碎区污染物的运动规律,给出了不同时刻污染物在该区域的运动变化趋势。讨论并分析了在斜向规则入射波、不规则入射波及不同入射波波高作用下污染物在沿岸波浪破碎区域的运动变化方向和相应的运动范围分布规律。给出并分析了近岸波浪破碎区域污染物运动分布规律。     

潜堤附近波浪场精细模拟的PLIC-VOF模型

采用PLIC-VOF追踪自由面,利用无反射造波边界条件数值造波,结合有限差分方法离散求解潜堤附近水域的立面二维N-S方程,得到潜堤附近波浪场。对两种典型潜堤结构附近的波浪场进行了数值计算并与模型实验结果作了比较。比较结果表明,基于PLIC-VOF的数值方法能够有效地追踪波浪自由面并得到潜堤附近精细的波浪场。     

波浪扰动对太湖底泥磷释放影响模拟

为揭示波浪扰动对湖泊底泥磷释放的影响,在波浪水槽中模拟了不同波高情况下扰动对水体、水土界面、底泥间隙水的磷、溶解氧等的影响.结果显示,在大波扰动下,沉积物大量悬浮,水体总磷随之增加,溶解性磷增加却不显著;波浪扰动显著增加了水体和沉积物界面的溶解氧浓度,并增加了溶解氧在沉积物的侵蚀深度;波浪扰动降低了沉积物表层10 cm内间隙水中的磷浓度,而10 cm以下沉积物中间隙水中磷浓度基本保持不变.研究表明,波浪扰动可迅速增加水体中颗粒态的营养盐,但是对于溶解态营养盐,尤其是水体中活性磷浓度的影响,则受沉积物性质、水-沉积物间隙水磷浓度差,以及水-沉积物中氧含量等多方面因素的影响.     

具有守恒特性的二维溃坝洪水演进数值模型

基于结构网格,采用有限体积法建立了二维水动力学模型,模拟溃坝洪水在复杂实际地形条件下的流动过程。该模型采用中心迎风格式求解界面通量,并结合对界面变量的线性重构,使其具有空间上的二阶精度。分别采用中心差分方法和半隐式方法对底床坡度项和摩擦阻力项进行离散,保证了模型的和谐性和稳定性。对于复杂地形条件下溃坝洪水的模拟,负水深的产生是影响模型稳定的关键因素。当库朗特数小于0.25时,模型能够保证任何时刻的计算水深都是非负的,而无需对负水深单元进行特殊处理。因此,相比于现有的大部分溃坝洪水模型,该模型具有更强的鲁棒性和稳定性。     

水库滑坡涌浪传播有限元数值模拟

库岸滑坡涌浪危害巨大,正确预测库区可能的滑坡涌浪非常重要,是工程可行性论证的重要内容之一。将浅水控制方程应用于滑坡涌浪数值模拟,控制方程采用简便且具有较高精度的两步Taylor-Galerkin方法进行求解。通过算例对数值模型的应用进行验证,结果表明,涌浪产生后将以入水点为源点迅速向四周推进并不断衰减,且随传播距离的增加浪高降幅逐渐减小。计算的涌浪高度及水位变化规律与实测资料吻合得很好,并将滑坡涌浪的沿程传播过程可视化。研究结果表明,文中方法模拟滑坡涌浪传播是有效可行的,可用于滑坡涌浪灾害的预测和防治。     

溃坝水流数值计算的非结构有限体积模型

针对溃坝洪水数值计算面临不规则边界和复杂地形等问题,建立了三角形网格下求解二维浅水方程的高精度Godunov型有限体积模型.空间上,引入变量重构和限制器技术,采用HLLC近似Riemann算子计算数值通量;时间上,采用Hancock预测-校正法.将底高程定义于单元顶点,结合单元水位～体积关系,提高了干湿界面处理能力.采...     

基于UDEC的隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究

现今全断面隧道掘进机（TBM）施工方法在长大深埋隧道工程中已被广泛采用,对滚刀破岩关键技术的进一步认识具有重要的工程价值。为了研究滚刀破岩机制,分析刀圈断面形态、岩石强度和节理角度对其的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：滚刀破岩是滚刀下岩石拉破坏和剪破坏的综合反映,拉破坏是裂纹萌生与扩展的主要驱动机制;刃宽较大的平刀与刃角较大的楔刀破岩效果较好;平刀与楔刀在软岩中破岩效果相近,平刀在硬岩施工中比楔刀的破岩效果好;滚刀对节理角度为30°～60°的岩石破坏效果较好,由于楔刀的“劈裂”作用,楔刀比平刀更适合用于贯切含有节理的岩石。     

基于改进的FAST模型的千将坪滑坡涌浪研究

千将坪滑坡是三峡库区支流浅水区滑坡产生涌浪的典型案例,但对大范围、长距离的水动力过程和涌浪灾害分析研究成果较少.基于浅水区滑坡涌浪物理实验的推导公式,更新了FA ST 涌浪计算系统,构建了相应的涌浪源数值模型,在已有的滑坡涌浪灾害快速评价系统程序中新构建了浅水区滑坡涌浪源数值模型,开展了千将坪滑坡涌浪研究.数值计算区域为18.6 km×11.8 km,包括千将坪滑坡附近的长江干流及支流.计算结果显示,千将坪滑坡产生的最大浪高为38.8 m,最大爬高为36.7 m.最大涌浪空间分布显示大于1 m 涌浪的河道长约10.5 km,大于2m 涌浪的河道长约9.3 km,大于3 m 涌浪的河道长约8 km.大于1 m 的波浪影响范围主要集中在青干河和锣鼓洞河,涌浪在河道中传播受地形影响而有快速衰减或放大效应.与多源数据对比表明,涌浪爬高数值相差为±2 m,相关性系数达0.97.建立的涌浪数值模型具有消耗计算资源少、计算速度快、计算结果精度较好等优点.基于水波动力学的浅水区滑坡涌浪源模型将可用于水库区支流或干流浅水区滑坡产生的涌浪问题研究,为大范围长距离滑坡涌浪灾害预测预警提供重要技术支撑.     

消泡压力对消泡率的影响及基于数值模拟的消泡器结构优化设计

在泡沫钻进过程中,现有的消泡器往往不能很好地达到消泡的目的。笔者建立了消泡器室内试验台,进行了消泡压力对消泡器消泡能力的影响试验,通过测试不同压力与不同泵转速确定了消泡压力与消泡率的关系,同时借助FLUENT软件对消泡器的扩散管和消泡管内部的压力分布,进行了数值模拟与分析。根据分析结果对消泡器进行了优化设计,将消泡管的长度从15cm增加至65cm。对改进后的消泡器进行室内试验,其消泡率达到80%左右。     

间断水波在梯级水库中的传播

基于矢通量分裂得到了一维浅水方程组的隐式守恒有限差分格式,并对有底坡、有摩阻的梯级水库同时溃坝和相继溃坝的溃坝波传播进行了数值模拟。对数值结果作了分析。结果合理,方法有效可行。