非线性波消波及波场分布研究

本文基于雷诺平均N-S方程,并结合RNG k-e方程建立了粘性数值波浪水槽,对不同波陡、不同相对水深、不同相对波高的非线性规则波的阻尼消波问题和波场分布进行研究。文中提出了两种描述消波区内部阻尼变化的阻尼函数,分别适用于小波陡情形和高波陡情形。研究结果表明,小波陡组消波区可设为一个波长,阻尼系数取10~4～10~5即可满足消波要求,计算结果与实验结果及造波理论吻合良好;高波陡组消波区可设为两个波长,阻尼系数取10~4～10~5亦可满足消波要求,计算结果与实验结果吻合良好。此外,当波陡较小时,波场内反射情况的小幅改变即可对整个波场造成影响,特别是当水深较浅时这种影响极为明显,需谨慎考虑。当波陡较大时,水波能量较高,整个波场沿水波传播方向可观测到明显的衰减现象,在具体试验中需进行考虑。     

不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波

利用MAC(marker and cell)法直接数值求解连续方程和N-S方程.为模拟不规则波长时段连续造波及消除波浪遇结构物后形成的二次反射,采用了源造波法.对开敞边界,采用了海绵阻尼消波和Sommerfeld条件相结合的处理方式.     

数值波浪水槽消波器的改进与检验

数值波浪水槽技术是一种新兴的水波动力学数值模拟技术,它能够实现水波现象的精确模拟。作为数值波浪水槽的一个重要功能,消波技术被用于消除传入波浪在水槽末端的反射效应,以防止反射波对有效实验区域的污染,从而保证特定要求的水波实验的精确性。目前被广泛采用的消波技术可分为阻尼消波区和主动消波器两类。阻尼消波区的原理是通过设定特定计算区域的阻尼项来达到削弱传入该区域波动的目的。作为被动式消波技术,阻尼消波易于实现,且具有较好的消波效果,它能够很好地吸收波长小于阻尼区长度的波动,但是对于波长大于阻尼区长度的波动则不能…     

非静压波浪模型无反射造波

非静压波浪模型是一种近年来得到迅速发展且有望在工程计算中获得广泛应用的波浪模型。为了在非静压波浪模型中实现无反射造波,在连续性方程中添加了质量源项进行域内源造波,并采用阻尼消波方法进行数值消波。数值算例结果表明,所建立的无反射造波方法可以较好地避免非静压波浪数学模型中的二次反射,实现长时间稳定波浪模拟。     

圆形数值波浪水池斜向和多向入射波浪模拟研究

为了研究斜向入射波浪,基于三维不可压缩两相流模型,开发了一套圆形数值波浪水池数值模型。在圆形波浪水池中,通过源项造波法成功生成了任意入射方向的波浪,并且利用人工摩擦项模拟阻尼区以数值耗散反射波浪。模型基于嵌入式多块网格体系,采用FVM法(finite volume method)离散Navier-Stokes方程,VOF法(volume of fluid)追踪自由水面。试验结果表明,斜向入射波浪的模拟结果与理论值基本一致,圆形波浪水池在模拟斜向入射波浪时,有效区域的面积较传统波浪水池显著增大,而且有效区域受波浪入射角度的影响也较小。同时,通过叠加多列斜向入射波浪,模拟出了多向交叉波列,并通过与理论结果对比,发现其具有较高的精度。     

高桩挡板透空式防波堤消浪性能数值研究

以RANS方程为控制方程,基于有限体积法,在动量方程中添加源项,建立了具有造波‐消波功能的数值波浪水槽。利用建立的源项造波数值波浪水槽,模拟了高桩挡板透空式防波堤在规则波作用下的消浪效果,完整地再现了堤前堤后的流态,分析了挡板相对入水深度对透浪系数的影响。在与试验值及拉帕公式对比后发现,数模计算结果与试验值较接近,拉帕公式偏大。研究了堤顶相对宽度、相对水深、相对波高对透浪系数的影响并提出修正公式,修正公式与计算值和试验值吻合较好。     

数值波浪水槽消波器的改进与检验

数值波浪水槽技术是一种新兴的水波动力学数值模拟技术, 它能够实现水波现象的精确模拟。作为数值波浪水槽的一个重要功能, 消波技术被用于消除传入波浪在水槽末端的反射效应, 以防止反射波对有效实验区域的污染, 从而保证特定要求的水波实验的精确性。目前被广泛采用的消波技术可分为阻尼消波区和主动消波器两类。     

海堤坡角变化对海啸波传播过程影响数值分析

针对近岸海域极端海况的防灾减灾问题,准确模拟追踪海啸波传播过程,再现液面局部射流、崩破波等波面湍动现象。建立SPH数值水槽,边界条件基于固壁粒子法,减少海堤坡角改变对计算域精度的影响,讨论粒子间距设置对模拟精度的影响。模拟7种不同海堤坡角下波浪的爬高与衰减情况,讨论了海堤坡角变化对消波系数的影响。当粒子间距设置为0.002 m时,模型能准确地捕捉海啸波的强非线性现象。随着海堤坡角增大,海啸波峰值爬升率增大,波浪越堤后因崩破波的产生,波能衰减进一步加剧。当坡角较小时,消波系数随坡角的增大提升明显,而后趋于缓慢增长。     

欧拉模型模拟波浪的抑制数值耗散效应的一种简单方法

数值波浪水槽是研究波浪及波浪与结构相互作用的常用工具,可在真实尺度下产生波浪,并提供流场的详细数据。然而,大部分数值波浪水槽都存在数值耗散和数值色散问题,数值耗散使波能缓慢消散,数值弥散在波传播过程中使波频移。本文在有限差分法（FDM）求解欧拉方程的基础上,提出了一种抑制数值耗散效应的简单方法,考虑阻尼项的影响,对波的传播解进行了解析求解。该方法的主要思想是在动量方程中附加一个源项,其强度由数值阻尼效应的强度决定。本文通过对规则线性波、Stokes波和不规则波的数值模拟,验证了该方法的有效性。结果表明,本文方法可有效减小数值波浪水槽中存在的数值耗散现象。     

风压作用下非线性极端波浪的数值模拟

本文在时域非线性数值波浪水槽中,研究了不同风速条件下极端波浪的特性。采用推板造波的方式生成非线性波浪,基于Jeffrey遮蔽理论将风压项引入自由面动力学边界条件来模拟风压作用,通过高阶边界元法和混合欧拉-拉格朗日时间步进法来求解初边值问题。通过与已发表的聚焦波群实验结果对比验证了该数值模型的准确性,并研究了风压对极端波浪的最大波高、聚焦位置的偏移和波浪谱的演变等波浪性质的影响。本文进一步在数值波浪水槽中引入均匀水流,来模拟风生流对波浪演变的影响。结果表明,风压的存在会少量增大极端波浪的最大波高,波浪的聚焦和解焦过程伴随着明显的能量传递,并且风生流进一步导致了波浪聚焦位置的偏移。     

波浪非线性对海草消波特性的影响

海草所形成的植物消波体系能有效防止岸线的侵蚀。利用Sánchez-González等的实验数据分析了波浪非线性对海草消波特性的影响。研究结果表明,相对水深和波陡对海草床的波能衰减系数影响依赖于海草淹没度。相对波高一定时,拖曳力系数随相对水深的增大而增大。对给定的相对水深,拖曳力系数随波陡的增大而减小。波浪非线性对于规则波和非规则波海草消波特性的影响并不一致。用无量纲参数（邱卡数、雷诺数、厄塞尔数）表达拖曳力系数的效果取决于拖曳力系数与无量纲参数的关系中是否充分考虑波浪非线性对拖曳力系数的影响。     

波浪产生和运动的二阶计算模型

在快速模拟波浪运动的谱方法基础上,引入造波边界,建立了模拟波浪产生和运动的二阶计算模型。采用摄动展开方法简化了带有造波边界的水波运动问题,将速度势分解,得到了满足造波边界和自由面边界的速度势的一般解,运用快速Fourier变换和时间积分,建立了模拟波浪产生和运动的数学模型。基于该模型,采用不同的数值造波条件,模拟了波浪的产生问题;考虑了波浪的初始运动问题;通过把数值结果与物理实验的比较,验证了波浪计算模型的有效性。     

数值水槽内的阻尼消波和波浪变形计算

采用时域内对波面运动位置追踪的边界元方法,建立了一种非线性波浪变形计算的三维数值模式,并借助Spongelayer阻尼消波和Sommerfeld放射条件相匹配的处理方式,开发了一条三维非线性波的数值造波水槽,进而对水槽内的Stokes波进行了波浪变形计算。     

海堤上波浪爬高与越浪计算分析

基于线性波理论,采用VOF法、RNG k-ε的湍流模型,通过FLUENT软件平台的二次开发功能实现了质量源造波。利用多孔介质模型,在动量方程里添加多孔介质源项,对斜坡堤上铺设异型块体时的爬高与越浪进行了数值模拟,并通过模拟爬高值率定出FLUENT中多孔阻力系数与多种异形块体糙渗系数之间的关系,进而建立了可供实际应用的海堤上波浪爬高与越浪数值模型。     

新型消能结构物边界形状对波浪反射特性影响研究

为了使消能结构在多频率波浪作用下都能有一个较低的反射率,提出一种新型消能结构——双层板与双列开孔结构复合结构。考虑了面积约束条件下结构物边界对波浪反射特性的影响,运用数值模拟方法模拟了波浪与结构物的相互作用,计算了消能结构在不同边界形状下的反射系数,对比波浪反射系数结果获得了最佳的消能结构物边界形状。反射系数研究结果及消能结构周围流场的分析表明:消能结构物的反射特性及流场特性对波候有一定的依赖性,也依赖于消能结构物的边界特性。因此开展消能结构物边界排布及形状的研究是很有必要的。     

SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪模拟研究

基于浅水斜坡地形的物理模型试验数据,考察SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪的模拟效果,进而检验其浅水项的模拟精度。模拟中采用直接输入初始测点的实测海浪谱进行造波,重点考察浅水中三波相互作用和变浅破碎两个源项,对不同工况下,SWAN模式在水深条件变化下的有效波高、谱平均周期、海浪谱演化的模拟能力进行研究。研究表明:模拟的有效波高较符合实测波浪的增长和衰减,但谱平均周期计算值明显偏小;海浪谱的能量转移机制同实测有较大区别,频谱模拟结果出现高频高估、低频低估现象。对两个源项进行对比分析得出三波相互作用对海浪谱的能量转换影响远大于变浅破碎耗散。想要提高近岸区谱平均周期和海浪谱的模拟精度则SWAN模型中三波非线性项的计算精确度仍需更多研究和改进。     

基于完全非线性Boussinesq方程的源函数数值造波

探讨了应用于完全非线性Boussinesq模型模拟波浪传播变形的数值造波和波浪分析方法。采取在造波区的流体运动方程中引入源函数的造波法以实现无反射造波。通过数值试验探讨了造波函数中系数δ的取值。为模拟不规则波,采用了线性波浪叠加法。利用相关函数法进行谱估计,以检验不规则波造波效果。文中讨论了采用相关函数法估计海浪谱时,参数△t、m、和N之间的关系。     

斜坡堤波浪爬高和越浪数值模拟

基于FLUENT软件,采用k-ε湍流模型和VOF方法追踪自由表面,由连续性方程和动量方程推导出源函数,根据数值水槽各个区段的功能设置,借助其UDF二次开发功能,实现无反射的源造波,在验证水槽两端消波有效性的基础上,数值模拟规则波在不可渗透斜坡堤上的波浪爬高和越浪。通过与物模试验研究成果相对比,表明建立的数值水槽具有高效性和较高精度,可供实际工程参考应用。     

没水倾斜板式防波堤消波性能分析

提出了一种将波浪中倾斜板问题等效化简为波浪中水平板单元组的方法,该方法建立在使用分离变量法求解水工结构边值问题的基础上,并使用伽辽金法精确求解连续边界条件,确定考虑衰减波态的速度势函数,从而求解没水倾斜板结构的消波性能。等效化简法计算精度于边界元法相当,且计算单元数量少、开销低。基于二维线性势波理论,对没水倾斜板式防波堤消波性能分析显示,没水板的倾斜角度、没水深度与板长是结构消波性能的控制因素:没水倾斜板防波堤的消波性能优于没水水平板防波堤的消波性能,随着没水板结构的倾斜角度增大,没水倾斜板结构的波浪透射系数显著减小,且长板优于短板,浅板优于深板;与前人的水槽实验对比显示,相对没水深度与波陡影响结构的消波性能,且波陡造成的波浪破碎贡献了显著的波能消耗。该结论对板式防波堤的结构配置、优化设计有重要意义。     

基于高阶边界元的三维数值波浪港池

初步建立了一个基于高阶边界元的三维数值波浪港池,港池具有造波和消波功能。采用高阶边界元16节点四边形单元和基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格朗日时间步进求解带自由表面的完全非线性势流方程。模型中对于影响数值精度的问题作了细致的处理。数值计算结果表明本港池可以用来模拟非线性波浪的传播,具有很高的数值精度和稳定性。