极限波浪运动特性的非线性数值模拟

利用时域高阶边界元方法建立了模拟极限波浪运动的完全非线性数值模型,其中自由水面满足完全非线性自由水面条件.采用半混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,同时应用镜像格林函数消除水槽两个侧面和底面上的积分.研究中利用波浪聚焦的方法产生极限波浪,并且在水槽中开展了物理模型实验,将测点试验数据与数值结果进行了对比,两者吻合得很好.对极限波浪运动的非线性和流域内速度分布进行了研究.     

波浪与带窄缝方箱作用共振现象的数值模拟

By introducing a source term into the Laplace equation, a two-dimensional fully nonlinear time-domain numerical wave flume (NWF) is developed to investigate the resonance induced by the interaction bet...     

一个二维数值波浪水槽的改进

对Drimer,Agnon及Segre研发的数值波浪水槽(简称DAS),首先通过修正DAS中某些积分计算的错误,建立了第一个修正模型(MDAS1),使得模型更加准确稳定。其次,将DAS模型自由表面线性元近似替换为更为合理准确的三阶元近似,建立了第二个修正模型(MDAS2),使得模型计算的波面更合理可靠。平底水槽中波群的生成及传播算例表明:与DAS结果相比,MDAS1对波面没有显著影响,而采用三阶元的MDAS2对波面有显著影响。与Hansen和Svendsen的实测资料相比较证实了两个修正模型的有效性。     

三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.跟踪流体自由表面的方法为满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法,对离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元.并把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克斯波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播.     

完全非线性深水波的数值模拟

基于势流理论,并结合深水波质点运动从水面向下呈e指数衰减的特性,建立了完全非线性数值变深水槽模型,通过实时模拟活塞式造波机运动来产生波浪.采用时域高阶边界元法进行模拟,利用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法追踪流体瞬时水面,应用镜像格林函数消除了水槽两个侧面的积分,在水槽末端布置人工阻尼层来消除反射...     

波浪与带窄缝多箱体作用共振现象的模拟研究

针对波浪与带有窄缝多箱体结构作用产生的流体共振问题,建立了基于域内源造波技术的二维非线性时域数值波浪水槽模型,其中自由水面满足完全非线性运动学和动力学边界条件,窄缝内流体引入人工阻尼来等效由于涡旋运动和流动分离引起的黏性耗散,计算域边界采用高阶边界元进行离散。通过模拟三箱体间两窄缝内相对波高变化,并与已发表的数值与实验结果对比,验证了本模型的准确性。同时通过大量的数值计算,分析了箱体数量对窄缝内水体共振频率、共振波高以及对结构反射波高和透射波高的影响。     

无限水深聚焦波完全非线性数值模拟

基于势流理论提出一种新的高阶边界元方法对无限水深的聚焦波浪进行完全非线性数值模拟.自由水面满足完全非线性边界条件,模拟波浪的非线性效果可以达到更高阶.利用镜像原理,建立一种全新的格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,以致于两无限深水槽侧壁的积分可以被排除.为了产生相应的入射波和吸收出流波浪,一个由点源组成的造波装置被布置于计算域内,同时人工阻尼层被用来吸引出流波浪,由波浪聚焦的方法得到极限波浪.通过开展线性和完全非线性聚焦波浪的数值实验及与理论解对比,验证本数值模型可以用来模拟无限深水域的极限波浪,且在出流边界没有反射.     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

完全非线性波浪破碎模型沿岸流数值模拟

探讨一种基于完全非线性Boussinesq方程的波浪破碎模型在沿岸流计算中的应用问题。针对控制方程中的完全非线性项对沿岸流成长过程的影响进行了深入讨论。数学模型计算结果表明,完全非线性项有使平均流局部化的作用;通过数模实验还发现,垂向高阶涡度项可以有效抑制破波区外回流;运用Visser的实验室沿岸流实测资料从沿岸流速度、波高和平均水位几方面对所提模型进行了验证,并给出了紊动参数的计算结果。     

波浪沿斜面传播过程的数值模拟

精确模拟非线性波沿斜面传播过程非常困难,为此论文从势函数的边界积分方程出发,建立了一种时域内二维波浪模拟的数值模型,主要用来模拟完全非线性波浪的传播变形过程。论文的数值模型使用高阶二维边界元方法,采用可调节时间步长的基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格郎日时间步进来求解带自由表面的线性或完全非线性波浪传播问题。在计算区域一端造出线性或非线性的周期性波浪,另一端采用消除反射波的人工粘性吸收边界。通过与现有理论比较证明了论文数值方法所得结果是准确可靠的。     

基于高阶边界元的三维数值波浪港池--波浪破碎的模拟

在势流理论的框架内,采用高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日法,实现了对三维波浪破碎过程的数值模拟.数值模型使用可调节时间步长的基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格郎日时间步进来求解自由表面的演化过程.在所使用的边界元方法中,采用16节点三次滑移四边形单元来表示,这种单元在单元内具有高阶的精度同时在单元之间具有良好的连续性.给出了孤立波的传播和周期性非线性波浪沿缓坡传播的计算结果,表明数值模型具有良好的稳定性.     

Nonlinear numerical simulation on extreme-wave kinematics

A fully nonlinear numerical model based on a time-domain higher-order boundary element method (HOBEM) is founded to simulate the kinematics of extreme waves. In the model, the fully nonlinear free surface boundary conditions are satisfied and a semi-mixed Euler-Lagrange method is used to track free surface; a fourth-order Runga-Kutta technique is adopted to refresh the wave elevation and velocity potential on the free surface at each time step; an image Green function is used in the numerical wave tank so that the integrations on the lateral surfaces and bottom are excluded. The extreme waves are generated by the method of wave focusing. The physical experiments are carried out in a wave flume. On the horizontal velocity of the measured point, numerical solutions agree well with experimental results. The characteristics of the nonlinear extreme-wave kinematics and the velocity distribution are studied here.     

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。     

多向不规则波绕射的数值模拟

采用有限元求解Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程数值计算模型,对单突堤和双突堤的波浪绕射进行了数值模拟,并与物模试验进行对比验证。模拟结果表明入射波浪的方向分布对波浪的绕射具有明显的影响,使防波堤后的波浪增大,开阔区域的浪浪减小,波浪的方向分布对港内波浪的分布具有一定的均化作用。     

Generation and Properties of Freak Waves in A Numerical Wave Tank

Freak waves are generated based on the mechanism of wave focusing in a 2D numerical wave tank. To set up the nonlinear numerical wave tank, the Boundary Element Method is used to solve potential flow equations incorporated with fully nonlinear free surface boundary conditions. The nonlinear properties of freak waves, such as high frequency components and wave profile asymmetry, are discussed. The kinematic data, which can be useful for the evaluation of the wave forces exerted on structures to avoid underestimation of linear predictions, are obtained, and discussed, from the simulated results of freak waves.     

Linear and nonlinear irregular waves and forces in a numerical wave tank

A time-domain higher-order boundary element scheme was utilized to simulate the linear and nonlinear irregular waves and diffractions due to a structure. Upon the second-order irregular waves with four Airy wave components being fed through the inflow boundary, the fully nonlinear boundary problem was solved in a time-marching scheme. The open boundary was modeled by combining an absorbing beach and the stretching technique. The proposed numerical scheme was verified by simulating the linear regular and irregular waves. The scheme was further applied to compute the linear and nonlinear irregular wave diffraction forces acting on a vertical truncated circular cylinder. The nonlinear results were also verified by checking the accuracy of the nonlinear simulation.