基于双层Boussinesq方程的三维波浪数值模型及其验证

Liu等给出的最高导数为2的双层Boussinesq水波方程具有较好的色散性和非线性,基于该方程建立了有限差分法的三维波浪数值模型。在矩形网格上对方程进行了空间离散,采用高阶导数近似方程中的时、空项,时间积分采用混合4阶Adams-Bashforth-Moulton的预报—校正格式。模拟了深水条件下的规则波传播过程,计算波面与解析结果吻合较好,反映出数值模型能很好地刻画波面过程及波面处的速度变化;在kh=2π条件下可较为准确获得沿水深分布的水平和垂向速度,这与理论分析结果一致。最后,利用数值模型计算了规则波在三维特征地形上的传播变形,数值结果和试验数据吻合较好;高阶非线性项会对波浪数值结果产生一定的影响,当波浪非线性增强,水深减少将产生更多的高次谐波。建立的双层Boussinesq模型对强非线性波浪的演化具有较好的模拟精度。     

非线性波浪时域计算的三维耦合模型

将计算区域Ω划分为内域Ω₁和外域Ω₂(Ω₂=Ω-Ω₁),外域控制方程采用改进线性频散特性的二维Boussinesq方程,用预报一校正法数值求解;结构物附近的内域控制方程为三维Navier-Stokes方程,由VOF方法数值求解。通过在外域和内域相匹配的交界面上设置合适的速度和波面边界条件,建立了三维非线性波浪时域计算的耦合模型。模拟试验表明:(1)耦合模型数值波浪水池可以产生稳定的、重复性较好的波动过程;(2)用耦合模型数值波浪水池求解较大浅水区域上的非线性波浪数值计算问题可以取得较高的计算效率,同时又能得出结构物附近的复杂流场。     

适用于曲边界的浅水非线性波浪数值模型

实际工程中存在大量的曲边界,因此在曲边界上的计算准确性可以考察出一个数值模型的实用价值。利用Beji的改进型Boussinesq方程建立了一个有限元方法的数值波浪模型。造波方面采用Fenton提出的非线性规则波浪解;在墙边界处,以求解法线方向和切线方向的速度和导数代替求解x、y方向的速度和导数,从而使边界条件直接适用、严格满足,保证了对曲边界计算的准确性。"重开始广义极小残量法"的使用保证了求解方程组的效率和精度,使造波和边界处理方法的有效性和准确性得到了合理地诠释。通过与试验数据、他人数值结果、解析解的比对,显示出该模型计算稳定、结果准确,真正体现出了有限元方法对曲边界适用的优势。     

基于第三代浅水波浪模型的海区泥沙骤淤数值预报及工程应用

在简要介绍现有近岸波浪数值模型的基础上,对应用了最新波浪研究成果、适用于海岸、湖泊和河口地区的第三代浅水波浪数值预报模型的研究和应用进行了详细论述。通过该模型数值计算得到黄程山局部区域不同风向的有效波高分布,将模型与海区泥沙骤淤机理相结合,进而得到整个区域平均含沙量的分布,并数值预报近岸区域骤淤量随时间的变化,研究成果可为海区大风浪情况下骤淤预报提供理论指导,本文最后讨论了泥沙骤淤计算模型未来发展的趋势。     

波浪作用下刚性框架浮体及其锚绳运动数值模拟精度分析

由小尺度刚性杆件构成的复杂结构近年来多用于海洋平台建设和海洋监测浮标制作以及海洋增养殖人工浮鱼礁的设计。采用有限单元法和集中质量点法建立波浪作用下刚性框架浮体及其锚绳运动数值模型,探讨空间单元划分、时间离散步长、数据保存格式对刚性框架浮体和柔性锚绳运动模拟精度的影响,分别给出此三者之间的匹配关系。研究结果表明:框架浮体的单元划分可依据是否出水给定,单元的划分比建议取0.05;锚绳的单元划分与其上端连接的浮体浮力有关,当锚绳的拉力主要由上端浮体浮力产生时锚绳单元的划分影响较小,当锚绳的拉力主要由波浪力产生时锚绳单元的划分比建议取0.02;空间单元划分与时间离散步长存在匹配关系,通过减小时间步长来追求数值模拟精度时必须同时考虑保存运动物理量截断误差的影响。     

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。     

系泊船非线性波浪力时域计算:二维模型

为找到具有工程实用价值的港口系泊船波浪力的时域计算方法,建立了在港口中存在系泊船时非线性波浪力时域计算的垂直二维耦合模型:用Boussinesq方程计算船的两侧的外域,用欧拉方程计算船底面下的内域,两域在交界面处的连接条件是流量连续和压力相等.将复平面内的边界元方法应用于所研究问题,对耦合模型进行了验证.进行了相关模型实验,实验结果与数值计算结果比较表明这两种数值计算模型都具有满意的精度,但耦合模型的计算效率要远远高于边界元方法的计算效率.本耦合模型的数学处理简单,可适用于工程计算.     

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。     

水下物体在波浪力作用下的运动计算

本文通过对水下物体在波浪力作用下所受的力的分析，运用流体力学和波浪理论的基本知识，建立了物体的运动方程，并借助于数值计算的方法对运动方程进行求解，从而得出物体在波浪力作用下的运动特性，为水下机器人的吊放回收提供了理论依据。     

关于波浪Boussinesq方程的研究

对有关波浪 Boussinesq方程的研究成果进行了系统的归纳总结和评述 ,以期对本学科的发展起到一定的引导和促进作用     

Applications of sediment sudden deposition model based on the third-generation numerical model for shallow water wave

The existing numerical models for nearshore waves are briefly introduced, and the third-generation numerical model for shallow water wave, which makes use of the most advanced productions of wave research and has been adapted well to be used in the environment of seacoast, lake and estuary area, is particularly discussed. The applied model realizes the significant wave height distribution at different wind directions. To integrate the model into the coastal area sediment, sudden deposition mechanism, the distribution of average silt content and the change of sediment sudden deposition thickness over time in the nearshore area are simulated. The academic productions can give some theoretical guidance to the applications of sediment sudden deposition mechanism for stormy waves in the coastal area. And the advancing directions of sediment sudden deposition model are prospected.     

A 3-D time-domain coupled model for nonlinear waves acting on a box-shaped ship fixed in a harbor

A 3-D time-domain numerical coupled model is developed to obtain an efficient method for nonlinear waves acting on a box-shaped ship fixed in a harbor. The domain is divided into the inner domain and the outer domain. The inner domain is the area beneath the ship and the flow is described by the simplified Euler equations. The remaining area is the outer domain and the flow is defined by the higher-order Boussinesq equations in order to consider the nonlinearity of the wave motions. Along the interface boundaries between the inner domain and the outer domain, the volume flux is assumed to be continuous and the wave pressures are equal. Relevant physical experiment is conducted to validate the present model and it is shown that the numerical results agree with the experimental data. Compared the coupled model with the flow in the inner domain governed by the Laplace equation, the present coupled model is more efficient and its solution procedure is simpler, which is particularly useful for the study on the effect of the nonlinear waves acting on a fixed box-shaped ship in a large harbor.     

浅水半潜型浮式风机基础概念设计与模型试验研究

目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机基础概念SPIC,采用参数化建模与优化方法,开展了42 m水深条件下半潜型浮式风机基础概念设计,并在海洋工程水池开展1∶50缩尺模型试验。模型试验的结果表明：半潜式浮式风机基础概念设计具有稳定性好、动力性能优良等优点,浮式基础纵摇运动、机舱加速度等指标满足规范要求。模型试验结果验证了该概念的可行性。     

A 3-D model based on Navier–Stokes equations for regular and irregular water wave propagation

A spatial fixed σ-coordinate is used to transform the Navier–Stokes equations from the sea bed to the still water level. In the fixed σ-coordinate system only a very small number of vertical grid points are required for the numerical model. The time step for using the spatial fixed σ-coordinate is efficiently larger than that of using a time dependent σ-coordinate, as there is substantial truncation error involved in the time dependent σ-coordinate transformation. There is no need to carry out the σ-coordinate transformation at each time step, which can reduce computational times. It is important that wave breaking can be potentially modeled in the fixed σ-coordinate system, but in a time-dependent σ-coordinate system the wave breaking cannot be modeled. A projection method is used to separate advection and diffusion terms from the pressure terms in Navier–Stokes equations. The pressure variable is further separated into hydrostatic and hydrodynamic pressures so that the computer rounding errors can be largely avoided. In order to reduce computational time of solving the hydrodynamic pressure equation, at every time step the initial pressure is extrapolated in time domain using computed pressures from previous time steps, and then corrected in spatial domain using a multigrid method. For each time step, only a few of iterations (typically six iterations) are required for solving the pressure equation. The model is tested against available experimental data for regular and irregular waves and good agreement between calculation results and the measured data has been achieved.