胶州湾环流和污染扩散的数值模拟Ⅴ、胶州湾变空间步长的嵌套模型

在对某一海域的流场进行数值模拟时,尽量提高目标水域的分辨率是普遍追求的目标之一。本文以胶州湾为例,提出了一个大、小网格嵌套的数值模型,并对海域内的防波堤狭长岛屿等视为线边界进行了数值处理,得到了满意的计算结果。     

直立式防波堤迎浪面波压力计算研究

以Navier-Stokes方程为控制方程,使用VOF方法追踪自由液面,由连续性方程和动量方程推导出源函数。基于非线性波浪理论和UDF对FLUENT进行二次开发,在数值水槽的各个功能区将不同的源项添加到动量方程中,实现动量源造波和消波的功能。此法可以有效地消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遇到结构物后在入射边界形成的二次反射,从而得到稳定的波动场。本文将这种方法应用于直墙防波堤上波浪压力的数值模拟,分析了造波和消波的有效性,对直立式防波堤波浪力进行了数值研究。为了得到更精确的结果,采用结构化网格和非结构化网格相结合,在直墙防波堤附近使用三角形网格,在其他区域使用四边形结构化网格,为了较好地捕捉自由液面,在液面上下一个波高的范围内对网格进行加密。将计算结果与二阶stokes波理论解进行对比,该方法计算结果与理论解一致,表明该方法能够产生历时较长的稳定的非线性规则波浪,能够很好地吸收波浪遇到建筑物产生的反射波,可以有效消除建筑物反射波的影响,为实际工程方案的设计提供参考,有较高的实用价值。通过计算得到极端高水位,设计高水位,设计低水位时候的各个测点的最大正向波压力和最大负向波压力,并将计算结果与物理模型试验数据和经验公式结果进行对比,结果吻合较好。并且由于该数值方法可以考虑防波堤迎浪面不同倾角的工况,其适应范围比经验公式范围更广,因此可以为海岸结构设计提供依据。     

南海海流数值模拟——Ⅱ.南沙邻近海域春季典型月平均流

以二维全流模式对南沙群岛邻近海域春季典型月平均流进行数值模拟。计算网格的空间步长为50km,时间步长取4min和20min两种。前者用于计算适应过程,后者用以计算发展过程和耗散过程。数值模拟结果表明,计算流与实测流基本相符。     

波浪作用下锚链系泊浮式防波堤动力响应的数值模型研究

浮式防波堤充分利用波能在水深方向的分布特性,在满足工程消浪要求的同时对海域水沙交换影响较小,且能够快速布置,在某些实际工程有一定应用前景。为了深入了解波浪作用下浮式防波堤的动力响应,基于OpenFOAM标准求解器olaFlow,在刚体运动求解计算中植入锚链求解模块MOODY(mooring cable dynamics),实现了基于重叠网格方法的浮体运动与锚链受力耦合求解,建立了锚链系泊浮式防波堤动力响应的二维数值模型。利用该数值模型对锚链系泊单方箱浮式防波堤在波浪作用下的透射系数、运动响应、锚链张力进行了模拟,并和相关试验结果进行了比较。结果表明,模型能够准确模拟二维波浪和浮式防波堤的相互作用,并用于三维模型的改进。     

波浪作用下方箱-水平板浮式防波堤时域水动力分析

在线性化势流理论范围内求解方箱-水平板浮式防波堤的波浪绕射和辐射问题,从时域角度分析了浮式防波堤的水动力特性.采用格林函数法将速度势定解问题的控制微分方程变换成边界上的积分方程进行数值求解,浮式防波堤的运动方程采用四阶Runge-Kutta方法求解.对不同层数水平板的浮式防波堤的波浪透射系数、运动响应和锚链受力进行了计算分析,结果表明方箱相对宽度对方箱-水平板浮式防波堤的波浪透射作用有重要的影响,透射系数随着方箱相对宽度的增加而减小.对于方箱加二层水平板的浮式防波堤,在本研究的计算条件下,当方箱相对宽度从0.110增加至0.295时,透射系数从0.88减小至0.30.水平板有利于增加浮式防波堤对波浪的衰减作用,但随着水平板层数从0增加至2,这种波浪衰减作用增加的程度趋弱.方箱-水平板的浮式防波堤的运动量小于单一方箱防波堤的运动量.与此对应,方箱-水平板防波堤的锚链受力小于单一方箱防波堤的锚链受力.     

T型防波堤与波浪相互作用数值研究

针对T型透空式防波堤,通过浪高仪采集防波堤前后不同位置波面变化曲线,使用声学多普勒流速仪(NDV)测量不同位置流速随时间的变化,并分析了其相位平均流速的分布。基于VOF法的二维波浪数值水槽,对规则波作用下T型防波堤附近的动力特性进行了计算,水槽模型试验结果和数值模拟结果对比表明,数值计算结果与实验值吻合较好。采用该模型进一步对T型防波堤附近波浪场、流线、紊动动能、紊动动能耗散率变化以及不同尺寸的防波堤消浪效果进行模拟计算,重点分析了入射波高、防波堤入水深度和防波堤宽度变化的影响。     

1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸的数值模拟

建立了一个地震海啸数值模式,模式包含越洋海啸传播部分和近岸海啸变形部分,在越洋海啸传播部分中采用线性浅水方程,使用蛙跃格式求解,并且选择合适的空间步长与时间步长,使差分格式中产生的数值频散与包辛尼斯克方程中的物理频散一致,这样在不影响海啸数值计算精度的前提下,节省了计算机的机时与内存.在近岸海啸变形部分的计算中,考虑了非线性对流项与海底摩擦项.同时该模式采用了多重网格嵌套技术,提高了所关心地区的计算精度.利用这个地震海啸模式模拟了1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸,结果与观测记录较吻合.这个模型已用于我国沿海核电站可能最大地震海啸的数值计算.     

基于物理造波和主动消波的黏性数值波浪水槽开发

基于推板造波理论和摇板造波理论,在Open FOAM平台上采用重叠网格技术建立黏性数值波浪水槽,并使用一种结合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法对数值模型进行求解。利用开发的数值模型通过数值收敛性测试和网格独立性测试分别重点研究了时间步长、库朗数和网格尺寸对数值精度和计算效率的影响。并对比研究了此数值模型分别嵌入层流模型和湍流模型的计算精度和计算效率。实现的规则波和二阶有限振幅波与理论结果和试验结果吻合,验证了此黏性数值波浪水槽的造波和主动消波功能。基于二维数值波浪水槽,进一步研究了三维数值造波,数值计算结果与理论结果吻合良好。研究结果不仅验证了重叠网格在二维和三维两相流体域中求解运动物体与流场交互的可靠性和正确性,而且为使用此黏性数值波浪水槽解决更复杂的海洋工程问题提供了依据。     

双浮板液舱晃荡特性的数值研究

基于黏性流理论,采用动网格技术和6自由度模型,以及动量源方法,建立了双浮板液舱晃荡的数值模型。分别采用3种不同空间步长的网格离散计算区域,进行了网格收敛性验证。通过光滑液舱晃荡的模型试验和解析得到的爬高最大值,验证了数值模型的精确性。在载液率为50%,激励幅值为2 mm条件下,对双浮板液舱晃荡进行了数值计算,与光滑液舱相比,双浮板液舱晃荡的最大爬高明显减小。通过一个激励周期内双浮板液舱晃荡的波面显示发现,液舱晃荡模式由光滑液舱的驻波模式变为U管模式,晃荡模式的改变起到了明显地抑制液舱晃荡的效果。     

基于局部时间步长方法的潮流数值模型研究及应用

为了准确快速地模拟潮流过程,将局部时间步长(LTS)方法应用于基于黎曼近似解通量——有限体积法的浅水模型。LTS方法和传统整体最小时间步长方法的计算性能对比表明,两种方法的计算结果定量差异远小于模拟值与实测值之间相对误差;但由于LTS方法对每个网格采用了与稳定性条件相适应的尽可能大的时间步长,计算效率大幅度提高。本模型计算所得渤海、黄海、东海的潮流传播过程、潮汐调和常数的空间分布、无潮点位置,以及长江口和杭州湾区域的潮流过程与已有认识和实测资料吻合良好。     

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。     

青岛海湾大桥对胶州湾潮汐、潮流及余流的影响预测——Ⅲ.预测方法及预测结果

在潮流数值模型中,采取了如下办法表示桥墩:桥墩造成的截水面积通过减小水深来实现,桥墩的阻尼通过增加底摩擦实现。根据以上水深处理和水力学实验给出的阻尼系数,在胶州湾及邻近海域计算潮流场基础上,预测了青岛海湾大桥对胶州湾潮汐、潮流及余流的影响。     

非通航孔桥墩自适应拦截网防撞装置实船拦截试验与水动力计算

针对非通航孔桥墩,研发了一种自适应拦截网防船舶撞击装置,主要由系泊大浮体、系泊锚链和固定锚、自适应小浮筒、拦截网、恒阻力缆绳以及触发钢索所组成。阐述了该防撞装置设计原理,即偏航船舶撞击该防撞装置,小浮筒会带动拦截网自适应地从水平状态竖起展开,包裹住来撞船首,再通过相连浮体的运动阻力和恒阻力缆绳来吸收船舶动能,拦截住船舶,保护非通航孔桥墩安全。随后介绍在福建平潭海峡大桥引桥附近海域实施的实船撞击自适应拦截网防撞装置的大型试验,试验结果显示:自适应拦截网成功升起,船舶被安全拦截,从而实验证实了设计原理与设计方案的可行性和可靠性。最后,采用大型水动力分析软件AQWA对防撞装置拦截船舶过程进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致,说明了数值仿真具有较好的计算精度和可靠性,能够为该防撞装置的结构设计与优化提供重要的参考。     

瓯江口外洞头岛北岙后涂围垦工程潮流数值模拟研究

通过建立基于不规则三角形差分法的洞头岛附近海区二维潮流数学模型,在对现场实测资料验证的基础上,对北岙后涂围垦工程前后的潮流场进行了数值模拟,就北岙后涂围垦工程对周边海区的影响及围塘根部的冲刷情况进行了分析研究。分析研究结果表明,围垦工程不会对客运和货运码头及航道通航条件产生明显影响,对洞头峡的涨落潮水流、三盘大桥桥墩及其通航孔基本没有影响;单纯潮流对围塘根部冲刷的可能性很小,因此,围垦工程是可行的。     

WAVE FORCE ON PIER GROUP

In the case of pier-group structures in offshore engineering construction, the calculation of wave forces on piers is quite complicated due to the wave scattering effect on the piers in group. In this paper, the diffraction problem of two piers with unequal diameters is studied and formulas for calculating wave forces on piers are given on the basis of MacCamy-Fuchs linear wave diffraction theory with a strict consideration on the phase difference between the piers in a pier-group.     

Local scour prediction around piers with complex geometry

A laboratory study of local scour at complex piers under steady clear-water conditions is presented. The term complex piers is used to define a bridge pier comprising of a column, pile cap, and pile group. Comprehensive data over the full range of possible pile cap elevations for complex piers with different geometries were obtained using five complex pier models, which were scaled down from existing bridges in Malaysia. The data are used to evaluate existing methodologies for characterizing the effective width of complex piers with varying pile cap location relative to the undisturbed streambed. The effect of pile cap location on scour depth is also addressed. To improve the predictions of local scour at complex piers, the new data and some previous data are used to propose a new method to predict local scour depth at complex piers.     

台阶式沉井等效墩宽计算方法探究

桥梁工程中存在形状各异的桥墩,在研究不同截面桥墩的局部冲刷特性时,桥墩尺寸的定量描述非常重要。以台阶式沉井结构为研究对象,梳理并分析了国内外相关等效桥墩宽度计算方法,发现各类公式本质上为计算不同条件下的桥墩平均阻水宽度。开展了台阶式沉井局部冲刷试验研究,基于试验数据对比分析了各类等效墩宽计算方法的计算结果,发现Melville和Raudkivi的等效墩宽计算公式能够较好地估算考虑动床条件下台阶式沉井的平均阻水宽度;进一步收集了国内外193组台阶式沉井类结构的局部冲刷试验数据,数据集统计分析结果显示Melville和Randkivi的等效墩宽计算公式能够较为准确且保守地量化大多数台阶式沉井类结构的截面非均匀性;最后基于数据集冲深墩宽比统计结果对该公式近似方法的合理性进行了讨论。     

The irregular wave force on pier group

In this paper, the irregular wave force on a cylindrical pier group is calculated by the method of spectrum analysis, and the coefficients of the group effect of piers in the pier group are given here. The calculated results, using P-M and Bretshneider's. (B's) spectra, are obtained for the cases of 2 piers, 3 piers and 4 piers. To compare these results with those obtained for regular waves, we can come to some significant conclusions. Under the action of the irregular wave, when the distance between the piers in the pier group increases, the coefficient of the group effect decreases and tends rapidly to the case of a single pier. In general, when the ratio of the distance between the piers to the diameter of the pier is greater than 4, the group effect can be neglected.     

Developing empirical formulas for assessing the scour of vertical and inclined piers

Abstract

Because scour is one of the main reasons for bridge failure, this study focuses on accurately predicting the maximum scour depth around different vertical and inclined piers. Scouring is an issue of concern in the bridge design process, as most existing equations for predicting local scour near bridge piers suffer from over- or underprediction issues, resulting in higher foundation costs or bridge failure and inaccurate predictions of the scour around piers. The dimensionless maximum scour depths (y_s/D) of vertical and inclined piers were investigated for seven pier shapes with different L/D ratios and four inclination angles (θ) under shallow flow conditions. The inclined pier configuration reduced the y_s/D of the piers. The maximum y_s/D was observed for a rectangular pier with an L/D of 4.5 in both vertical and inclined configurations (θ of 10, 15 and 21°, respectively). The y_s/D was significantly decreased by increasing the angle of the pier from 10 to 30°. The y_s/D of the inclined rectangular piers decreased as θ decreased from 30 to 10° and the L/D ratio increased from 1 to 4.5. The best y_s/D results were obtained for inclined rectangular piers at a θ value of 30° and an L/D ratio of 7.5 compared to other shapes and inclination angles. New equations were developed to predict the local scour depth for circular, square and rectangular bridge piers. The equations yielded excellent results for predicting the maximum clear water scour depth around vertical and inclined piers with inclination angles of 10, 15, 21 and 30°, respectively.     

海洋三维温盐流数值模拟研究的有关进展和问题

就海洋三维温盐流数值模拟使用的海洋模式和数据同化方法、在中尺度数值预报和再分析中的应用,以及所需支撑条件三方面,简述了国内外研究有关进展和问题。表述了开展大范围分辨中尺度乃至次中尺度涡的高分辨率海洋三维温盐流数值模拟正在研究的有关问题,扼要说明提供相匹配的高性能计算机模拟平台的必要性。初步探讨制约该研究快速发展的有关问题。