陆坡非旋转重力羽状流的数值模拟

借助MITgcm模式使用二维非静力近似在水平方向采用不等间距网格,模拟了陆坡非旋转重力羽状流的流动。模拟显示陆坡上的重力羽状流的运动比较复杂。通过数值实验,发现改变地形或调整冷源强度都会影响沿陆坡下沉的低温高密度水的羽状流形态,潮汐亦会对重力羽状流有一定的影响。经计算发现在陆坡处,Richardson数小于1/4,宜发生Kelvin-Helmholtz不稳定性,并由卷挟导致环境流体与高密度流体混合,沿着斜坡加速下滑。     

普通黑烟囱热液系统及巨羽流形成的基本数学模型

建立了一种新的管状模型来模拟普通黑烟囱体的热液循环系统,分别用达西方程、湍流方程、Ergun方程和“浮压力差”方程来描述热液循环不同关键环节处的动力学系统,用一个温度场的对流-扩散方程来描述反应区的热能交换及系统的温度变化规律.在联立几个方程并用有效的数值算法及Matlab语言编程求解后,得出了系统中温度、压力及物质流速随时间的变化曲线,并对黑烟囱体内部的动态热平衡和压力平衡进行了分析.在普通黑烟囱体系统模型的基础上进一步建立了巨型羽状流(巨羽流)生成的数学模型.选择胡安·德富卡(Juan de Fuca)洋脊热液喷口对巨羽流的形成进行了模拟,其结果与Baker根据实测数据估算的近似值吻合很好.在上述模型的基础上进一步探讨了巨羽状流形成的一系列条件及主要参数对巨羽流生成周期、温度和最大物质流速等的影响.主要结论如下:巨羽流系统可以由普通黑烟囱系统发展演化而成,其实际过程是普通黑烟囱流系统活动所形成的热液沉积在一定程度上会堵塞热液喷溢通道(相当于形成盖层),造成热液在海底之下积蓄和升温,从而导致浮压力差增大,经过2~3 a(浮压力差达到盖层破裂极限值)则可形成巨羽流系统,巨羽流产生时的热源温度必须超过500℃,喷出热液的最高温度为413℃左右(与实际观测到的海底热液的最高温度一致).当反应区热源温度增大时,产生巨羽流的临界时间明显变短(可能不到1 a),而临界温度(巨羽流生成时的温度)及巨羽流的最大物质流速几乎不随其变化;随着渗透率的增大,巨羽流的最大物质流速也随之增大,但其增速随渗透率的进一步增大而变缓,并逐渐趋向一个相当于下渗流无摩擦阻力时的极限稳定值.     

非均匀各向同性介质中弹性波传播的盒式积分法模拟

为方便积分差值法的精确处理,利用积分差值法,将运动方程、自由边界条件及人工边界上的吸收边界条件进行积分,根据高斯定理得出了二维非均匀介质中弹性波传播的二阶显式差分格式。并针对几个典型的地质模型,计算了其弹性波传播的数值模拟结果,结果表明,该方法有较好的精度和稳定性。     

两相流模型在南海内孤立波与沙波相互作用中的应用

为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m³的悬沙浓度。     

华南休闲海滩沙坝触发的裂流风险及特征研究

为应对频发的致命性海滩溺水事故,自然资源部开展了我国首次滨海旅游区裂流灾害技术调查,在华南地区发现大量滨海休闲海滩存在浅滩沙坝和裂流现象。作为全国调查的部分成果,本文应用多种方法研究了广东省3个热门海滩沙坝触发的裂流机理、特征和演变规律。地形动力计算和卫星影像显示了沙坝形态、岸线形状以及裂流的高度动态性,尤其在青澳湾裂流呈现非常规的反季节变化,冬季风险较高而夏季风险较低。在相位解析水动力数值模拟中,裂流表现出对沙坝形态、浪高、浪向的高度敏感性。沙坝间较宽间隙会产生尺寸较大的裂流区,但比起窄沟槽不一定伴随更强的流速。当大部分水流集中从邻近的较宽通道回流入海时,部分窄沟槽几乎没有裂流产生。裂流流速与浪高成正比与入射角成反比。数值模拟结果表明,当入射角达到10°～30°时,沿岸流会取代离岸流占主导地位。现场调查也验证了在低潮时,较浅的水深会放大水流和波浪的地形效应,导致裂流风险加剧。本文研究结果可为滨海旅游区裂流灾害的工程减缓措施和公共警示提供有益参考。未来将会持续开展针对特定岸线的长期观测,以为裂流预警报和风险管控积累足够的统计数据。     

非结构化网格下大范围波生流模拟和应用

波浪破碎引起的沿岸流是近岸海域的关键水动力因素。利用基于缓坡方程得到的光程函数方程和波作用守恒方程建立了考虑绕射效应的大范围波浪传播模型,模型可以考虑流场的影响;将波浪模型计算得到的辐射应力、波浪紊动系数等参数添加到三维水动力模型中,得到大范围近岸波生流的计算模型。模型中流场和波浪可以共用计算网格,且可同步耦合计算;模型基于非结构化网格,可以拟合复杂岸线的变化。模型对波生沿岸流、环流和逆流进行了验证,同时对实际海域的波生流进行了计算,结果表明:该模型对近岸波浪破碎引起的波生流具有很好的精度和适用性,可用于实际工程的计算。     

黄渤海精细化温带风暴潮数值预报模式研究及应用

该文基于ELCIRC(3D Eulerian-Lagrangian Circulation)海洋模型建立了一套适合黄渤海高分辨率的温带风暴潮数值预报模式。该模式基于非结构三角形网格,对岸形的刻画具有较好的能力;利用该模式对2009年2次显著温带风暴潮过程进行了分析与数值模拟,将模拟结果与受影响的几个验潮站的实测数据进行了对比;对比结果表明:所建立的高分辨率预报模式后报效果总体良好;对模式中存在的问题以及造成误差的因素进行了分析说明。     

显式完全平方守恒差分格式在近岸海流数值模拟中的应用

用显式完全平方守恒差分格式及其改进分解算法对南海月平均流和海面起伏进行了数值模拟，与隐式完全平方守恒差分格式相比，计算时间可省３—５倍，具有良好的时间效益，而且，其计算效果不比隐式完全平方守恒差分格式差。因此，显式完全平方守恒差分格式及其改进分解算法具有良好的实用价值。     

静水和动水环境中水下溢油浮射流初步实验及数值模拟

为深入研究井喷和管道破损等海底事故后溢油在水下环境中的输移扩散过程,文章利用自制的组合式环形水槽（周长9.7 m、宽0.45 m、深1 m）,以阿曼原油与消油剂混合物和淡水（含示踪剂）为模拟污染物,初步开展静水和动水环境中海底溢油浮射流的物理模拟实验,并应用基于拉格朗日积分方法的水下溢油浮射流模型进行数值模拟比较分析。研究结果表明:静水环境中,水下溢油浮射流主要沿喷口的垂直中心线向水面输移扩散;非均匀流动水环境中,横流速度越大,浮射流输移轨迹的弯曲程度越明显;数值模拟的浮射流轨迹总体上与实验观测结果符合较好;研究结果可为今后相关物理实验和数值模型的改进研究提供有益参考。     

感潮河段潮流数值计算

应用圣维南方程组、普赖斯曼隐格式及双扫描解法等提出了感潮河段洪潮遭遇的非恒定流数值计算模型，并对感潮河网中所常见的边界条件进行了分析研究。计算与实测结果比较表明，所采用的方法有效可行。     

基于非定常面元法的海上浮式风机气动性能研究

对于海上浮式风机而言,由于受到剪切风、塔影效应、浮式基础运动等因素的共同影响,其气动载荷会更加复杂,因此如何准确快速地对海上风力机的气动性能进行预估显得尤为重要。基于速度势的非定常面元法理论,研究海上浮式风机气动载荷特性,编制了相关的计算程序。以NREL 5 MW风机为例,建立了叶片和尾流的三维数值模型,计算得到了不同风速下风机的输出功率以及叶片表面的压力分布,对比数据结果分析了该方法的可靠性。针对非定常流动,模拟了剪切风和塔影效应的作用,并重点分析了浮式基础运动对风机气动载荷的影响。研究表明,浮式基础的纵荡和纵摇会增加输出功率的波动幅值,艏摇运动会导致单个叶片上的气动载荷产生较大的波动,为浮式风机叶片控制提供了参考。     

感潮河段船闸下引航道水沙运动及泥沙淤积

通过建立一维非恒定水流泥沙数学模型,对规则断面引航道中的水流泥沙运动规律及淤积特性进行了数值模拟计算,并对影响感潮河段船闸下泥沙淤积的各种因素(如干支流水位差、开通闸水头差、主流潮差等)进行了深入分析和研究。研究结果可为有关工程设计及运行管理提供参考。     

受迫流动下的枝晶生长相场法模拟研究

基于耦合流场和热噪声的相场模型及合理高效的三维动态求解域加速算法,定量模拟了在受迫流动下枝晶的非对称生长及流速对迎流、背流两侧的温度分布和层流层分布的影响.计算结果表明,受迫流动使迎流、背流两侧温度的分布与层流层分布呈现不对称状态,导致迎流侧与背流侧的过冷度不同,而熔体施加于枝晶界面前沿迎流侧的力还不足以抑制过冷度的作用,结果造成枝晶迎流方向优先生长,从而产生倾向于散热方向的倾斜;同时,由于迎流侧的实际过冷度大于背流侧,有利于促进迎流一侧枝晶生长速度以及稳定侧向分枝生长,从而导致了侧向分枝的非对称生长.随     

COMCOT数值模式的介绍和应用

介绍了一个成熟的海啸数值模式-COMCOT模式.COMCOT模式是一个能够模拟海啸产生、传播和增水全过程的基于浅水波方程的有限差分模型.模型采用多层网格嵌套,根据海啸在不同区域的传播特点和要求,分别选用不同的分辨率和计算设置,从而兼顾了模式的精度和计算效率.利用此模式模拟了2006年12月26日台湾南部7.2级地震产生海啸波的传播情况,结果与两个潮位站的海啸波监测数据相吻合.     

基于紊流随机理论的航槽三维流动数学模型

根据窦国仁的紊流随机理论，建立了一种模拟河口海岸水域中航槽三维流动的数学模型。采用控制体积法导出三维偏微分方程的离散格式；将水压力分解为动水压力和静水压力，用Patankar和Spalding提出的压力校正法求解动水压力，通过求解水位控制方程来得到自由表面；紊流模型采用安国仁提出的紊流随机理论，克服了k—ε模型中采用各向同性紊动粘滞系数的不足，而k—ε模型可作为紊流随机理论的一个特例。该模型计算了各种不同挖深比，各种航槽与水流交角的航槽流速分布，利用该模型计算得到的挖槽中的流速分布与水槽及水池试验资料相吻合。利用该模型可为开敞水域中开挖航槽的选择提供依据。     

A mathematical model of calculating local tsunami wave source constraints and propagation

This paper presents a local tsunami simulation, including the initial displacement field model of tsunami source and tsunami wave propagation model. We deduced the tsunami wave equation; applied the ma...     

河口涨落潮槽水动力特征及河槽类型判定

在前人对河口冲刷槽研究的基础上,选择长江口南支、新桥水道、南小泓和南港主槽作为典型涨、落潮槽研究对象,以2001年洪季和2003年枯季实测资料为根据,比较分析了长江口涨落潮槽的水流、泥沙、优势流和优势沙等动力特征,结果表明用单一因子分析河槽性质不够全面.提出了一个(无量纲因子)河槽类型系数(λ)来综合表述河槽的多种水文泥沙特征,可以较全面地用多个影响因子来合理地判断河槽类型.     

Hydraulic Modeling of A Curtain-Walled Dissipater by the Coupling of RANS and Boussinesq Equations

A hybrid numerical method for the hydraulic modeling of a curtain-walled dissipater of reflected waves from breakwa-ters is presented. In this method, a zonal approach that combines a nonlinear weakly dispersive wave (Boussinesq-type equation) method and a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) method is used. The Boussinesq-type equation is solved in the far field to describe wave transformation in shallow water. The RANS method is used in the near field to re-solve the turbulent boundary layer and vortex flows around the structure. Suitable matching conditions are enforced at the interface between the viscous and the Boussinesq region. The Coupled RANS and Boussinesq method successfully resolves the vortex characteristics of flow in the vicinity of the structure, while unexpected phenomena like wave re-reflection are effectively controlled by lengthening the Boussinesq region. Extensive results on hydraulic performance of a curtain-walled dissipater and the mechanism of dissipation of reflected waves