不同因素对人工岛波浪绕射影响研究

为研究人工岛尺度变化和波浪方向分布对人工岛绕射波浪的影响,基于MIKE21-BW模型应用数值方法模拟人工岛波浪绕射过程。数值结果与Briggs等的物理试验结果的对比表明两者吻合较好,验证了模型的适用性。在规则波条件时,圆形人工岛绕射波浪的数值结果与线性波浪绕射理论解基本一致;采用该模型分别模拟了6种尺度的圆形人工岛、单向不规则波和9种方向分布θ_(max)、4种谱峰周期条件时绕射波浪分布情况。分析结果表明,圆形人工岛绕射系数随着尺度的增加,掩护区绕射系数随之减小;θ_(max)在10°~45°范围内,随着θmax的增大,绕射系数随之增大,θ_(max)在45°~75°内绕射系数变化较小;随着谱峰周期的增加,绕射系数随之增大。研究成果既为相关规范的完善提供了基础,也为相关工程设计提供了参考。     

基于抛物型缓坡方程模拟近岸植被区波浪传播

植被对波浪传播运动有重要影响。考虑近岸波浪在植被区传播中的折射、绕射、破碎及植被引起的波能耗损效应,基于抛物型缓坡方程建立了模拟近岸植被区波浪传播的数学模型,对模型进行了数值模拟验证,采用数值模拟试验分析了植被对波浪传播的影响。数值模拟结果表明,波浪在近岸植被区传播时,随着植被密度和植被高度的增加,波浪传播中的波高衰减增大,波能耗损增加;不同周期波浪在植被区传播中的波高衰减过程也明显不同。     

近岸波、流作用下结构物附近海岸演变的数值模拟

针对与砂质海岸在波浪作用下的演变有关的波浪、近岸流及输沙问题进行了系统的研究,并对结构物附近海岸演变进行了数值模拟。考虑了波浪折射-绕射及波浪破碎的综合作用,在近岸流场的模拟中用沿水深积分形成的K方程模型确定涡粘系数。计算岸滩地形变化时,综合波浪、近岸流作用的底沙和悬沙输沙率,并考虑波浪对泥沙作用的影响。模型对防波堤和近岸沉船附近地形变化进行了模拟,效果良好。     

波浪在三维圆形岛地形上的绕射研究

波浪在传播过程中遇到岛屿就会发生绕射。本文使用混合元方法对修正型缓坡方程进行了数值求解,并与KUO et al的解析解进行了比较验证。在此基础上研究了工程尺度背景下,波浪在三维圆形岛地形上的绕射,计算了不同入射波浪周期、浅滩形状参数和岛屿尺寸情况下,沿波浪传播方向断面上和岛屿岸线上的相对波高大小。计算结果表明：随着入射波周期的减小、浅滩形状参数的增大和岛屿尺寸的减小,圆形岛迎浪侧的相对波高振荡幅度、圆形岛背浪侧的相对波高大小以及岛屿岸线上的相对波高振幅和大小均随之增大。不同情况下,岛屿岸线上的相对波高最大值大多数发生在迎浪点,个别发生在迎浪点两侧20°~25°处;最小值发生在背浪点两侧30°附近。     

基于Boussinesq波浪模型的港池波浪数值模拟与泊稳分析

基于Boussinesq方程的MIKE21-BW模型,建立等水深、双突堤式的波浪数值港池,采用不同的波浪入射方向和双突堤口门宽度,分别对波浪经双突堤后的绕射情况进行模拟.根据《港口与航道水文规范》中的计算参数和突堤绕射系数结果,对BW模型进行率定和验证,结果表明二者吻合度较好,可以较好地描述港池的泊稳状况.在此基础上,...     

基于实测波浪的单桩式海上风电基础波浪力计算研究

基于实测波面的波浪力获取作为结构动力响应分析以及数字孪生模型建立的必备环节,对海上风电数字化运维至关重要。为了满足更大的装机容量需求,单桩式海上风电基础趋于大型化,其尺度因子D/L也随之增大;并且实际海域均为非规则波,以尺度因子划分波浪力计算理论的方法对非规则波的适用性尚不明确。通过建立数值水槽,依据实际工况对不规则波与桩基的作用进行数值模拟,得到入射波浪场与桩基所受波浪力,在此基础上,基于入射波浪场分别采用Morison方程以及绕射理论求解波浪力并将之与数值模拟结果进行对比,分析了不同波浪力计算理论关于尺度因子的适用性,同时探究了波浪要素对计算精度的影响。结果表明：Morison方程在波高较大时精度下降;相对于Morison方程,绕射理论在该尺度下的精度更高。最后,通过分析实测数据进一步探讨了典型工况下的波浪力特征,以期通过实测波面计算波浪力的方法为实际服役风机波浪力计算提供技术支持。     

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。     

龙口市人工岛周边海域波浪场和水动力场的数值模拟

为了科学的分析离岸人工岛群对周边海岸动力的影响,本文以龙口市人工岛为例,运用MIKE21数值模拟软件建立了龙口离岸人工岛及附近海域的水动力模型和波浪模型,根据波浪的生成、成长和传播原理,针对最有可能形成较大波浪的W、WNW、NW三个方向,采用频率为0.5%(重现期为200a)的高潮位叠加频率为0.5%(重现期为200a)的W、WNW和NW向风作用下的波浪场和水动力场进行数值模拟研究,给出了高潮位条件下人工岛周边不同波向对应的有效波高和最大波高值,以及最大流速和流向数据,可为人工岛群的地坪标高确立和防浪建筑物的布设提供科学依据。     

矩形人工岛波浪爬高的数值模拟

本文基于线性绕射理论,提出了采用波源分布法计算矩形人工岛上波浪爬高的数值模型.在三种入射波向(α=0°、45°、90°)下进行数值计算,所得到的结果与整体模型试验的实测结果进行了比较,二者吻合较好.表明波源分布法是确定波浪爬高的一个有效方法,可为人工岛工程设计提供可靠的高度参数.     

透水cosine-type同心圆柱波浪绕射研究

在势能流及微小振幅波理论假设下,采用复合边界元素法(CBEM)数值解析规则波通过单根外壁透水cosine-type型同心圆柱结构物绕射。将cosine-type外壁不透水条件改为透水外,并在内部设有一半径为b的不透水内圆柱共同组成同心圆柱,为了验证CBEM数值模式正确性与可行性,将其退化成圆柱,均得到合理结果。数值计算条件包含波浪正向入射凸端、透水参数及绕射参数,探讨波浪通过单根cosine-type同心圆柱体四周水面波动变化情况,并与双重圆筒同心圆柱作比较。计算结果显示结构物外壁采用透水型式,可以大幅降低cosine-type同心圆柱体四周整个波浪绕射场的水面波动。     

悬链线管体三维流场数值模拟研究

基于计算流体力学开源代码Open FOAM开展不同雷诺数(100≤Re≤3 900)下弯曲管体绕流流场三维数值模拟研究。对比分析不同雷诺数条件下弯曲管体的瞬时和时均流场特征,研究了弯曲管体不同位置处的时均压力系数和旋涡脱落频率。结果表明:当Re=100时,尾流中仅有展向涡存在;当300≤Re≤3 900时,流向涡出现且强度逐渐增加,展向涡减弱,随着局部曲率增大,沿弯管展向涡脱强度减小。随着雷诺数的增大,回流区沿流向的延伸尺度减小,但其沿展向的分布范围增大。沿弯管展向随着深度减小,前后驻点时均压力系数的绝对值递减,圆周时均压力系数变化幅度减小。在300≤Re≤3 900范围内,管体曲率会对展向涡脱频率产生一定影响。     

港池泊稳的能量平衡方程数值模拟

对基于能量平衡方程的多向随机波浪传播数学模型进行改进,通过模拟不同防波堤绕射引起的港池泊稳,验证模型的合理性和有效性。利用非线性弥散关系提高模型计算浅水变形的精度;采用二次逆风差分格式离散控制方程,避免了加入绕射项引起的数值耗散;并将文氏谱加入模型中,使其更加适合中国海域的工程应用。应用改进后模型绘制的双突堤和岛式防波堤绕射系数图与我国《海港水文规范》图进行了对比。对比结果十分接近,可以较好地描述港池的泊稳状况,为综合计算波浪在近岸的浅水变形、折射、绕射、反射和能量耗散等作用奠定了基础。     

港珠澳大桥西人工岛桥结合段波浪演变数值模拟

近年来海洋极端天气频发,港珠澳大桥西人工岛地处外海,与其相连接的桥梁非通航跨的桥面高程较低,容易受到海浪侵袭,威胁到岛桥功能的正常发挥和结构自身安全。针对西人工岛桥结合部周围的复杂地形条件,采用OpenFOAM^®开源程序,分别对S、SSW和SW三个方向的极端波浪进行了数值模拟。通过数值计算结果与物理模型试验测量值的比较验证了的模型的准确性。分析了不同方向入射波的波高和沿岛体斜坡爬高的变化规律。随着波浪入射角的增大,人工岛南侧斜坡的波浪爬高呈逐渐减小,但在岛体西端靠近桥梁的位置处,波浪爬高逐渐增大;同时也反映了越浪和桥面上水风险的大小。研究旨在为实际工程的管理和设计提供参考。     

波浪与外壁透空双方形沉箱相互作用

在线性波浪理论下,利用复合边界元素法(composite BEM)数值解析在等水深、规则波浪入射二种外壁透空双方形沉箱的无因次波力及Kd绕射分布图,并分别与其他研究者所作双圆筒内、外圆柱无因次波力及绕射分布图的计算结果进行比较,都说明本模式的合理性和可行性。在考虑不同透水参数下,分别计算波浪作用在内、外结构物的波力及沉箱四周绕射系数大小分布图。计算结果显示:波浪作用于外壁透空全透水双方形沉箱,外方柱无因次最大波力值会随着透水参数增加而降低;内方柱无因次最大波力值则随着透水参数增加而增加。本研究结果可供设计外海透水方形沉箱结构交互作用参考。     

人工岛对沙质海岸动力泥沙环境及岸滩冲淤演变的影响研究

基于历史海图、历史时期卫星遥感影像、2019年实测水下地形和潮流、波浪数值模拟成果,研究该海域岸滩的发育演变背景、海床和岸线自然冲淤动态、动力泥沙环境及岸滩冲淤动力机制。采用LITLINE岸线演变数学模型,模拟计算了不同离岸距离和不同平面形态人工岛布置型式对近岸岸线变形的影响,岸滩泥沙动力机制和岸滩演变趋势表明,人工岛实施后近岸最大潮流流速小于近岸泥沙起动流速,不具备起动近岸岸滩泥沙的基本条件; SSE向波浪作用时,人工岛西北侧波高明显减弱,波向西偏; S向波浪作用时,人工岛北侧波高明显减弱; SSW向波浪作用时,人工岛东北侧波高明显减弱,波浪传播方向东偏;波浪场改变后人工岛掩护区东西两侧岸滩附近泥沙分别具有向东和向西运移至人工岛掩护区的趋势,形成掩护区的淤积和东西两侧岸线冲刷。     

人工岛游艇码头泊稳试验与数值模拟研究

针对青岛万达游艇码头项目进行了港域波浪物理模型试验研究。试验表明,当口门处人工岛护岸采用直立式结构时,港池入口处波浪反射严重,港内波高较大,各码头泊位不满足泊稳要求;当采用斜坡式结构时,港内波高显著减小,游艇码头泊位满足泊稳要求,工作船泊位不满足泊稳要求,其最大波高比允许值仅大0.1m。采用MIKE21BW模型,考虑波浪的折射、绕射、反射及破碎等物理过程,对港域的波浪传播变形过程进行数值模拟,计算得到了港域的波浪分布状况,将计算结果与试验结果进行比较,吻合良好,表明该模型可用于近岸波浪的传播变形模拟及港域泊稳计算,计算结果可用于游艇码头结构设计。     

高阶边界元方法求解规则波在三维局部渗透海床上的传播

基于线性势流理论,利用高阶边界元法研究了规则波在三维局部渗透海床上的传播。根据Darcy渗透定律推导出渗透海床的控制方程,利用渗透海床顶部和海底处法向速度和压强连续条件得到渗透海床顶部满足的边界条件。根据绕射理论,利用满足自由水面条件的格林函数建立了求解渗透海床绕射势的边界积分方程,采用高阶边界元方法求解边界积分方程进而得到自由水面的绕射势和波浪在局部渗透海床上传播过程中幅值的变化情况。通过与已发表的波浪对圆柱形暗礁的时域全绕射结果对比,证明了本文建立的频域方法计算波幅的正确性和有效性。利用这一模型研究了三维矩形渗透海床区域上波浪的传播特性,并分析了入射波波长、海床渗透特性系数等参数对波浪传播的影响。     

基于Boussinesq方程近岸波浪演变的数值研究

首先对目前描述近岸波浪传播变形的数学模型进行了回顾与总结;对不同数学模型的特点、适用范围和发展情况进行了阐述与对比。应用基于Boussinesq方程的Coulwave模式针对几个经典实验地形进行了数值实验,数值结果和实验实测数据吻合较好。此外,分别采用不同的近岸波浪模型模拟了某渔港附近波浪的传播变形,结果表明:当考虑波浪的折射、绕射、反射联合作用时,Coulwave模式计算结果明显较缓坡方程及SWAN模型计算结果更加合理。     

岛礁地形上斜坡堤前破碎波流场数值模拟研究

基于SPH方法建立波浪数值水槽,对岛礁地形上的波浪传播变形进行了数值模拟,分析了岛礁地形上波浪破碎过程的波高和水质点波动流速分布,并采用波浪水槽物理模型试验数据进行对比验证。结果表明,该模型可以较准确地模拟岛礁地形上波浪破碎引起的波高和波动流场沿程变化。在此基础上模拟了礁坪上建设斜坡堤后的波动流场,分析了斜坡堤对礁坪上流场形态、沿程波高、波动流速垂向分布及近底流速的影响。结果表明：在建设斜坡堤后,礁坪上波浪破碎更加猛烈,波浪破碎点前移;沿程波高与波动流速受反射波影响明显,沿程波高变化呈现为先增大、再减小、再增大,最后在防波堤堤脚处减小,近底流速变化趋势则与之相反;在堤前半倍波长范围内反向近底流速峰值较非岛礁地形上规范公式计算值增幅较大。     

有限长正弦地形上的波浪传播问题研究

应用基于势流理论的频域边界元方法,研究了波浪在有限长正弦周期地形上的传播问题.开展了网格收敛性分析,并与物理模型试验结果做了对比,验证了数值方法的准确性.研究了正弦地形长度和幅度对水波反射率的影响,以及波浪在周期性地形上传播时的沿程波幅变化.研究发现,波浪反射系数随波数的变化及波浪幅值沿程的变化均呈包络状;当频率处于布拉格共振区域边缘且反射率为零时,周期地形上会出现极大的波幅;随海床波幅增大,第一布拉格共振带变宽且向低频移动.