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。     

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。     

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。     

一个二维数值波浪水槽的改进

对Drimer,Agnon及Segre研发的数值波浪水槽(简称DAS),首先通过修正DAS中某些积分计算的错误,建立了第一个修正模型(MDAS1),使得模型更加准确稳定。其次,将DAS模型自由表面线性元近似替换为更为合理准确的三阶元近似,建立了第二个修正模型(MDAS2),使得模型计算的波面更合理可靠。平底水槽中波群的生成及传播算例表明:与DAS结果相比,MDAS1对波面没有显著影响,而采用三阶元的MDAS2对波面有显著影响。与Hansen和Svendsen的实测资料相比较证实了两个修正模型的有效性。     

不完全立波的二维数值波浪水槽模拟

利用二维数值波浪水槽研究波浪在防波堤前的运动状态.模型选用Navier-Stokes方程作为基本方程,以有限元法对基本方程进行离散.以直立堤前完全立波和越浪条件的不完全立波、斜坡堤前的不完全立波等典型情况的模拟为基础,组合这些典型情况模拟削角堤前不完全立波运动,探讨其堤前波面、波节点及波腹点位置、波压力等特性变化.     

波浪水槽中随机波的模拟

根据线性系统理论,首先由给定的靶谱模拟海浪信号,再把此信号转换为造波控制输入信号,最后在水槽中指定的截面处产生具有给定靶谱的随机波。这种模拟方法已在青岛海洋大学物理海洋实验室的大型水槽中实现,并取得良好的效果。     

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。     

闭环控制在波浪数值水槽中的应用

为了解决波浪数值水槽控制端与试验区波浪数据不一致的问题,需建立波浪数据的"控制—采集—反馈—再控制"闭环控制系统。采用FLUENT的UDF编程功能,实时采集试验区波浪数据作为造波控制系统的反馈信号,通过对试验区波浪数据进行谱分析,并与目标谱进行比较,进而修改控制系统的传递函数,实现了波浪数值水槽的闭环控制。大量的不规则造波实例表明,该闭环控制方法不仅可以修正波浪控制端与试验区的误差,且具有较好的稳定性。闭环控制的实现显著提高了系统的造波质量与品质,具有较好的应用前景。     

三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.跟踪流体自由表面的方法为满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法,对离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元.并把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克斯波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播.     

波浪水槽中非线性浅水波传播特性与模拟

通过建立解析解、进行数值模拟和物理实验，研究了波浪水槽中非线性浅水波浪传播特性，给出了数值模拟中对应造波板做正弦运动的二阶入射边界条件。数值模拟采用高阶Boussinesq方程。实验结果、数值结果和解析解进行对比，并讨论了解析解的适用范围、高次谐波的产生及三波相互作用问题。     

基于光滑质点流体动力学方法数值波浪水槽研究

基于光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法建立二维数值波浪水槽,利用推波板造波生成孤立波和不规则波,模拟结果跟实验值及解析解做了对比分析,结果令人满意.SPH数值水槽中生成的波浪具有明显的非线性,波浪能量沿程有所衰减,与物理水槽结果吻合良好.     

数值二维随机波浪水槽的建立和应用

利用域内源造波和边界海绵层吸波的思想,建立了基于势波理论的具有良好适应性的二维随机波浪数值水槽。垂向采用σ—坐标变换,将随时间变化的不规则物理域变为不随时间变化的规则计算域,有利于不规则自由表面条件和底面条件的“严格”满足。数值试验表明,本数值模型可连续地产生理想的规则波和随机波而不受建筑物产生的反射波的影响,计算所得直立堤上的随机波浪力与试验结果吻合较好。     

基于波浪数值水槽的辐射应力理论的比较研究

关于辐射应力的计算存在不同的理论解,目前对这些理论的验证较为匮乏。本文基于CFD软件FLUENT,建立二维数值波浪水槽模型,计算得到与理论解符合良好的波动过程。利用数值结果,研究辐射应力的垂向结构。结果表明,辐射应力值在波峰至波谷区域存在突变,其表层积分值与表层以下辐射应力不连续。基于线性波动理论,针对不同的入射波参数设计实验,检验现有辐射应力理论的适用性。结果发现,不同情况下适用的辐射应力理论不同。在实际应用中,应当根据不同波动类型和计算区域选取合适的辐射应力理论。     

基于二阶时间步进法数值波浪水槽研究

基于势流理论和时域高阶边界元方法,建立了三维完全非线性数值波浪水槽模型.利用源造波法产生入射波浪,应用五阶斯托克斯波理论给定波浪速度;采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,将二阶泰勒级数展开法应用于更新下一时间步的波面和速度势;通过加速势的方法准确计算自由水面速度的法向导数和物面速度势的时间导数.对完全非线性波浪进行了模拟,得到了稳定的波形.当波浪非线性较小时,与四阶Runge- Kutta法(RK4)计算结果和五阶斯托克斯波理论解均吻合良好;随着波浪非线性的增大,计算结果误差逐渐增大.通过数值试验分析,在满足精度要求的基础上,本方法计算时间略大于四阶Runge- Kutta法的四分之一,大大减少了计算量.     

不同湍流模型在波浪水槽数值模拟中的 应用与比较

为了研究不同湍流模型在建立数值水槽中的适用性,选用计算流体力学软件,采用S-A、标准的k-着及RNG k-着 等8种不同的湍流模型对水槽中的波浪进行了数值模拟,通过对比得到：RNG k-着模型不仅具有较高的精度,而且又节省计 算资源,较其它模型更具优势。     

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。     

基于FLUENT的海洋内孤立波数值水槽模拟

基于FLUENT商业软件及其二次开发功能,在标准κ-ε湍流模型下,采用VOF方法追踪两层流体内界面,通过给定入口速度和水位的设置造波边界法,建立了可有效模拟弱非线性内孤立渡的分层流数值水槽,并与仿物理的双板造波方法进行了比较.采用设置边界法所造的波形与理论值符合较好,这为数值分析内孤立渡与海洋结构物相互作用问题提供了一条更加有效的途径.     

砾石单元法与SPH耦合模型在数值波浪水槽中的应用研究

为研究以流体粒子描述波浪运动,以固体单元描述砾石运动的两相介质大变形运动,在港口、海岸工程科学研究中具有重要意义。本文提出砾石单元法(GEM),介绍了光滑粒子动力学方法 (SPH)和GEM的基本原理,阐述了GEM与离散单元法(DEM)的异同之处,说明了采用SPH方法与GEM构建波浪砾石耦合运动数学模型的方法和过程。应用SPH方法建立数值波浪水槽,用GEM模拟波浪作用下堆积砾石的滚落、坍塌变形,构建了SPH方法与GEM耦合数学模型。模拟了水槽造波和波浪生成过程和波浪作用下砾石的滚落、坍塌变形,并与物理模型试验成果进行了比较,结果基本吻合。本文提出的GEM法具有模拟单相堆积砾石运动和堆积砾石与流体粒子耦合多相介质运动的功能,是对DEM法的补充和改善。本文提出的堆积力学球概念和拟序排列求解方法是砾石单元法的重要组成部分。     

波流水槽模拟波浪技术的研究

介绍了实验室的造波机系统和造波特性及其在模型试验中的应用,并讨论了实验室内模拟海浪的检验标准及其方法。并对造波机应用前景进行讨论,对不规则波造波机进行物模试验具有一定的现实意义。