非线性波浪变形计算的三维边界元方法

采用0-1混合型边界元剖分计算域边界面,以提高边界元方法模拟三维波场波浪变形问题的数值计算精度。采用Spongelayer阻尼消波和Sommerfeld放射条件相匹配的边界处理方式,以消除计算域内的反射波。借助时域内的波面位置追踪,实现了三阶Stokes波在数值波动水槽中的波浪变形计算,其结果吻合于理论值。     

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。     

非完全淹没水平圆柱上波浪力特征的数值模拟

为研究大波幅波浪作用下,非完全淹没水平圆柱所受波浪力的特征,基于黏性流理论采用有限体积法建立两相流数值波浪水槽模型,对不同波幅和圆柱垂向位置下非完全淹没水平圆柱所受波浪力进行了数值计算,并对波浪力和冲击力的特征进行了分析,讨论了冲击力与冲击速度的关系,结合经验计算公式拟合得到了冲击力系数。结果表明:波浪力的大小受波幅和圆柱垂向位置的影响比较显著,其影响机理与波浪场流体运动特性相关;冲击力的大小与冲击速度密切相关,而垂向冲击力在波浪力中起主导作用时,对应的最小预测冲击速度受圆柱垂向位置影响并不显著;不同圆柱垂向位置下冲击力系数随着波幅增大由分散性较强逐渐趋于集中。     

地下水非线性流动模拟

本文探讨了非线性地下水流动的规律,对比了两种常用的公式模型,Ｆｏｒｃｈｈｉｍｅｒ及指数型公式,并通过实验证实了Ｆｏｒｃｈｈｉｍｅｒ公式具有更广的适用性。深入探讨了利用达西流有限元及边界元模型进行非线性地下水流动模拟的方法及步骤并提出了一种简便的边界元模拟方法。     

波浪的非线性频散关系

在概括和总结现有非线性频散关系的基础上,给出了非线性频散关系的通式形式及其显式表达式。通过与原频散关系的比较可知显式形式具有很高的精度,与隐式形式吻合很好。利用频散关系的显式形式,结合含非线性项的缓坡方程,得到考虑非线性弥散影响的波浪变形模型。模型中对采用非线性频散关系和修正的非线性频散关系的计算结果进行了比较。结果表明,用新的频散关系的显式表达式得到的模型更加精确、合理。     

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.     

天然地震数值模拟与实例对比

为了解决长时间正演模拟的不稳定性问题, 实现天然地震波场长时间数值模拟.在高阶有限差分数值模拟的基础上, 给出了多轴向完全匹配吸收边界(M-PML)二维划分方式, 讨论了M-PML吸收边界转换系数P的取值对其吸收能力与截断误差对数值模拟有效信号的影响.实现了二维弹性波高阶有限差分的长时间数值模拟.采用2013年12月16日湖北省巴东县地震及余震信息, 对该地震数据进行了数值模拟, 并与武汉、秭归两台站数据进行了分析和讨论, 验证该正演模拟方法的正确性和有效性.为天然地震波场传播规律、成像和震相识别及震源定位等研究提供了基础.      

波浪作用下沙坝剖面形成过程的数值模拟

建立了波浪、底部离岸流、泥沙运动和沙滩剖面演变耦合数学模型,模拟了实验室中波浪作用下沙坝剖面的形成过程,讨论了各个物理参数对剖面上的水动力和地形变化的影响。通过参数率定,较好地复演了不规则波作用下沙滩地形由均匀斜坡向沙坝剖面的演变,波高、底部离岸流、输沙率和剖面演变的计算结果与实测数据吻合良好。采用数值实验和误差分析方法,讨论了破碎波水滚倾角、泥沙扩散系数和床面休止角等物理参数对计算结果的影响。研究表明,所建立的模型能较好地描述波浪作用下沙坝剖面形成过程中的重要物理机制。     

电法勘探中有覆盖层的点源二维、点源三维边界元法正演

本文提出用二层介质格林函数作为余量加权函数,归化边界积分方程的边界单元法。通过对有水平覆盖层的点源二维、点源三维正演计算表明,本算法明显地优化了以往的边界元法,计算精度高,方程组规模小,节省内存空间,仅在一般微机上即可实现,扩大了边界单元法在电法勘探中的应用范围。     

波浪在珊瑚岸礁礁坪上传播变形的数值研究

波浪的传播变形对珊瑚岛礁附近的营养物质输送以及近岸珊瑚沙运动都起着关键的作用,同时也是礁盘顶部建筑物在设计和施工过程中需要重点考虑的因素,因此,对波浪在礁坪上的传播变形进行研究具有重要意义。利用FUNWAVE 2.0数值模型模拟了不规则波浪在不同形状岸礁上的传播变形过程,讨论了礁前斜坡坡度以及珊瑚底面粗糙程度对波浪在礁坪上传播变形的影响。结果显示,随着礁坡斜率增大,不对称度参数绝对值的增长趋势逐渐变缓,波浪在光滑礁坪上的不对称度绝对值要略大于粗糙底面上的值,而不同地形下计算得到的波浪偏度参数则基本相同。说明礁坡坡度对波浪的不对称度特征具有显著影响,礁坪粗糙度的影响则相对较小,而上述因素对波浪偏度的影响则完全可以忽略。给出了考虑这两个影响因素的礁坪区域内波浪偏度和不对称度经验公式。     

缓坡地形上非线性波浪变形的并行计算

基于椭圆型缓坡方程和消息传递接口机制,提出了缓坡地形上非线性波浪变形的一种并行数值模拟方法,并在微机群集并行系统上进行了数值实现.对一种典型缓坡地形上的非线性波浪传播变形进行了数值模拟,数值结果与实验数据的比较表明,在椭圆型缓坡方程中应用非线性波色散关系可有效考虑波浪的非线性效应,同时从获得的并行效率和并行加速比来看,并行数值方法可有效提高数值模拟效率.     

坚硬顶板运动特征的数值模拟及非线性动力学分析

分别从三维离散单元法及非线性动力学方法两个角度研究了坚硬顶板的运动规律,得到了较一致的结论。坚硬顶板的初次垮落具有冲击性,应力水平较高,该阶段的LE1为负值,系统处于有序的定常态;所研究条件下实施防冲措施的最佳时机在第2阶段开采活动结束之前,可促使坚硬顶板从冲击性整体运动向周期性分段运动转化;∑(+LEi)表明第4阶段的混沌程度最高,对应应力水平适中的周期性运动阶段。研究表明,除了初次冲击性垮落阶段,坚硬顶板运动系统在其它阶段均处于孕育着变化的混沌态。     

远破波作用数值模拟的CLEAR-VOF模型

在非结构化网格基础上,采用三阶精度的三步有限元方法离散N-S方程,CLEAR-VOF方法追踪运动水体自由表面,建立了数值波浪水槽模型.模拟了远破波冲击位于倾斜底坡上直立堤的过程.对直立堤上波压力和堤前流场的数值结果与模型实验结果做了比较.结果表明,远破波波浪力和流场的数值结果同PIV实验结果吻合较好,该数值波浪水槽模型可较好地模拟远破波的破碎冲击过程.     

TTI介质拟声波方程数值模拟

TTI介质qP波数值模拟方法因为考虑了倾角因素,可以比VTI介质qP波数值模拟方法更加准确地描述各向异性介质中地震波场的传播规律。文中用拟声波方程对TTI介质中的地震波场进行了高阶有限差分数值模拟,在改进衰减函数分布方式后,通过坐标变换,利用改进的完全匹配层(perfectly matched layer,PML)边界控制方程对波场边界进行吸收处理,取得了良好的效果;然后分析了拟声波方程数值模拟中的稳定性问题,并对波场中的伪横波进行压制。通过对不同模型的数值模拟,验证了文中使用的TTI介质拟声波波动方程的稳定性以及所采用的PML边界控制方程的可靠性和适用性。     

Numerical simulation of fully saturated porous materials

Fully coupled, porous solid–fluid formulation, implementation and related modeling and simulation issues are presented in this work. To this end, coupled dynamic field equations with u?p?U formulation are used to simulate pore fluid and soil skeleton (elastic–plastic porous solid) responses. Present formulation allows, among other features, for water accelerations to be taken into account. This proves to be useful in modeling dynamic interaction of media of different stiffnesses (as in soil–foundation–structure interaction). Fluid compressibility is also explicitly taken into account, thus allowing excursions into modeling of limited cases of non‐saturated porous media. In addition to these features, present formulation and implementation models in a realistic way the physical damping, which dissipates energy. In particular, the velocity proportional damping is appropriately modeled and simulated by taking into account the interaction of pore fluid and solid skeleton. Similarly, the displacement proportional damping is physically modeled through elastic–plastic processes in soil skeleton. An advanced material model for sand is used in present work and is discussed at some length. Also explored in this paper are the verification and validation issues related to fully coupled modeling and simulations of porous media. Illustrative examples describing the dynamical behavior of porous media (saturated soils) are presented. The verified and validated methods and material models are used to predict the behavior of level and sloping grounds subjected to seismic shaking. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于非线性有限元的孟底沟拱坝数值模拟研究

孟底沟水电站是雅砻江中游第5个梯级电站,最大坝高200 m,所处位置地质条件复杂,保证其蓄水后良好的工作性态及整体稳定性对工程安全至关重要。通过建立孟底沟拱坝三维有限元模型,基于变形加固理论,分析了拱坝在正常工况和超载条件下位移变化、塑形区扩展规律及大坝整体稳定性。结果表明：孟底沟拱坝现设计方案的位移和超载稳定能力均能达到稳定要求。拱坝贴脚的设置显著降低了坝体和基础的塑性余能,对工程整体稳定性有利。对右岸f4断层两种置换处理方式的对比分析发现,浅表置换加洞井网格置换的处理方式对拱坝整体稳定性更为有利。     

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。     

Numerical simulation of liquefaction in porous media using nonlinear fluid flow law

It is well known that for a sufficiently high seepage velocity, the governing flow law of porous media is nonlinear (J. Computers & Fluids 2010; 39 : 2069–2077). However, this fact has not been considered in the studies of soil‐pore fluid interaction and in conventional soil mechanics. In the present paper, a fully explicit dynamic finite element method is developed for nonlinear Darcy law. The governing equations are expressed for saturated porous media based on the extension of the Biot (J. Appl. Phys. 1941; 12 : 155–164) formulation. The elastoplastic behavior of soil under earthquake loading is simulated using a generalized plasticity theory that is composed of a yield surface along with non‐associated flow rule. Numerical simulations of porous media subjected to horizontal and vertical components of ground motion excitations with different permeability coefficients are carried out; while computed maximum pore water pressure is specially taken into consideration to make the difference between Darcy and non‐Darcy flow regimes tangible. Finally, the effect of non‐Darcy flow on the evaluated liquefaction potential of sand in comparison to conventional Darcy law is examined. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.