非结构化网格下椭圆型缓坡方程的数值求解

椭圆型缓坡方程是一种用线性波浪理论研究近岸波浪传播变形的有效波浪数学模型。非结构化网格下的有限容积法不仅对复杂边界的适应性好,还能保证迭代求解过程的守恒性。建立了非结构化网格下的椭圆型缓坡方程数值模型。在模型中采用非结构化网格下的有限容积法对椭圆型缓坡方程进行了数值离散,结合GPBiCG(m,n)算法求解离散方程。数值计算结果表明,该数值模型可有效地用于模拟近岸缓坡区域复杂边界下波浪的传播。     

非结构化网格下近岸波生流数值模拟

波浪破碎产生的近岸流是近岸海域关键的水动力因素之一。基于近岸波浪的椭圆型缓坡方程和二维近岸波生流方程,建立了非结构化网格下近岸波浪破碎形成的近岸流数值模型。数值模型中,在空间上采用有限体积法进行数值离散,在时间上采用欧拉向前格式数值离散。数值计算结果表明,该数值模型可以有效地模拟近岸波浪破碎产生的近岸流。     

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。     

二维非结构三角网格节点的动力配置法

用Delaunay三角化法构造网格,需要事先配置好节点.文中给出1种新的节点配置方法,即动力配置法.其主要思路是设网格尺度函数已配置,根据尺度函数计算出所需的单元数和节点数.把这些节点随机配置在计算域内,节点之间存在斥力,力的大小与当地的尺度函数正相关.节点在力的作用下运动,达到平衡时节点从局部看是均匀的,从整体上依尺度函数分布.最后用Delaunay三角化法构造网格并适当修改.试验结果表明,该方法形成的网格从单元形状和尺度,对边界的拟合3个方面都能达到较高的质量.     

二维潮流数学模型的四边形等参单元法

本文在有限差分和有限元法的基础上，采用四边形等参单元，对在河海域进行了潮流数学模型计算，计算表明：该方法既能较好地拟合边界，又可减少网格划分等前期工作，所得结果与实测资料基本一致。     

基于非结构网格RANS方法螺旋桨空化研究

基于粘性流理论探索螺旋桨空泡研究的有效方法,从而揭示螺旋桨空泡特性与其周围流场特征之间的关系.利用基于非结构网格的雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)来预报螺旋桨在均匀入流下的不同空化现象.用体积分数将混合两相流作为统一流体处理后,采用k-ω二方程湍流模型和全空化模型联立求解基于混合两相流的 RANS方程.将RANS数值计算结果与INSEAN的实验数据相比较后显示,产生空化的螺旋桨性能、导边空化与叶梢空化发生位置和形状与实验观察结果一致.研究表明此方法对均匀入流下的螺旋桨空化预报是切实可行的.     

基于非结构网格的波流耦合数值模式研究

本文采用ADCIRC模型和SWAN模型, 建立了一个基于非结构化网格的波流耦合数值模式, 风浪计算和潮汐风暴潮计算均采用同一套三角网格, 对复杂岸线和建筑物布置均有较好的描述, 且避免了模型插值, 提高了计算效率和精度。利用该模型对渤海湾西南海域几次强风过程中的风浪和潮汐风暴潮进行了研究, 通过实测资料对该模型进行了验证, 结果表明该模式具有较高的精度, 能较好地描述风浪、潮汐风暴潮的传播演变及其相互作用, 可应用于风浪与潮汐风暴潮的模拟计算。     

基于VOF模型的浮式消波海流机性能优化

针对浮式消波海流机样机测试时出现的问题,对其吃水深度线和叶片安装角度进行优化。根据装置结构特点,用Gambit建立了装置横截面的二维网格模型。根据浮式消波海流机实际工作环境,利用Fluent流体仿真软件,使用VOF(volume of fluid)两相流模型,分配空气相与液态水相在流域中的不同比例,来确定不同的吃水深度线。并且结合k-epsilon紊流模型建立模拟仿真环境。先对3种水线进行仿真分析,然后进行实验验证。通过分析对比装置的3种不同吃水深度线的模拟与实验结果,得到装置的最优吃水深度线为1/3水线。基于最优吃水深度线,分别对叶片的4种安装角度在相同的仿真环境中进行模拟仿真。利用仿真得到的扭矩数据,计算扭矩系数、功率系数,分析对比仿真数据以及仿真过程中扭矩趋势图得出4种叶片安装角度的最优角度是90°。吃水深度线决定了装置的消波能力,并且为叶片获能提供条件,叶片安装角度直接影响着装置的获能效率,所以最优的吃水深度线和叶片安装角度对海流机的消波能力和获能效率具有重要意义。     

基于VOF模型的OWC气室波浪场数值分析

近年来,振荡水柱形式在波能转换装置中得到了广泛应用,由于波况不同,需对气室加以研究并对其形状参量进行优化,从而使空气流速和能量转换达到最大值.利用基于VOF模型建立二维数值波浪水槽,将数值计算的振荡水柱在气室内的升沉运动与物理模型试验进行比较,验证其正确性,并将OWC气室的研究手段予以推广.     

基于VOF方法的海底管道溢油扩散数值模拟研究

在海底输油管道运行过程中,管道渗漏、穿孔及破碎都会导致原油泄漏。对溢油运动的轨迹及其扩散范围作出预报可为溢油事故的处理提供及时、准确的信息,指导应急处理的正确实施。基于工程实际需求,采用有限体积法,结合k-ε紊流模型,建立了海流作用下海底输油管道溢油扩散数值模型。采用VOF方法(volume of fluid method)追踪多相流界面。首先,将数值模拟结果与Fan的实验值及Zheng和Yapa的数值结果进行了对比,验证数值模型的可靠性;其次,研究了不同原油溢出速度与环境水深对不同时刻溢油轨迹、到达海面时间、横向漂移距离与海面扩散范围的影响。研究表明:随原油溢出速度增大,溢油到达海面时间逐渐减小,溢油横向漂移距离与海面扩散范围则逐渐增大;随环境水深增大,溢油到达海面时间逐渐增大,且其变化接近线性分布。     

A Novel VOF-Type Volume-Tracking Method for Free-Surface Flows Based on Unstructured Triangular Mesh

A novel VOF-type volume-tracking method for two-dimensional free-surface flows based on the unstructured triangular mesh is presented. Owing to the inherent merit of the unstructured triangular mesh in fitting curved boundaries, this method can handle the free-surface problems with complex geometries accurately and directly, without introducing any complicated boundary treatment or artificial diffusion. The method solves the volume transport equation geometrically through the Modified Lagrangian-Eulerian Re-map （MLER） method, which is applied to advective fluid volumes. Moreover, the PLIC method is adopted to give a second-order reconstructed interface approximation. To validate this method, two advection tests were performed for the establishment of the accuracy and convergence rate of the solutions. Numerical results for these complex tests provide convincing evidence for the excellent solution quality and fidelity of the method.     

An Irregular Wave Maker of Active Absorption with VOF Method

A numerical irregular wave flume with active absorption of re-reflected waves is simulated by use of volume of fluid （VOF） method. An active ＇absorbing wave-maker based on linear wave theory is set on the left boundary of the wave flume. The progressive waves and the absorbing waves are generated simultaneously at the active wave generating-absorbing boundary. The absorbing waves are generated to eliminate the waves coming back to the generating boundary due to reflection from the outflow boundary and the structures. SIRW method proposed by Frigaard and Brorsen （1995） is used to separate the incident waves and reflected waves. The digital filters are designed based on the surface elevation signals of the two wave gauges. The corrected velocity of the wave-maker paddle is the output from the digital filter in real time. The numerical results of regular and irregular waves by the active absorbing-generating boundary are compared with the numerical results by the ordinary generating boundary to verify the performance of the active absorbing-generator boundary. The differences between the initial incident waves and the estimated incident waves are analyzed.     

Bathymetry Inversion with the Gravity-Geologic Method: A Study of Long-Wavelength Gravity Modeling Based on Adaptive Mesh

Modeling of long-wavelength gravity anomaly is crucial for bathymetry inversion with a gravity-geologic method. We propose a new method, named as iGGM, to approximate the long-wavelength gravity anomalies by using a finite element method based on an adaptive triangular mesh which is constructed by uneven control points. The mesh size is suitably controlled to ensure that there are several control points in each grid. By using iGGM, the bathymetry in the South China Sea (Test Area #1: 112°E–119°E, 12°N–20°N) and East China Sea (Test Area #2: 125°E–130°E, 25°N–30°N) is estimated. The performance of the method was evaluated by comparing the predictions with Earth topographical database 1 (ETOPO1) model and shipborne depths in the test points. Results show that the depths derived by iGGM have a strong correlation with the shipborne depths. In the test points, the mean values of their differences are smaller than 10 m. The standard deviations of their differences are smaller than 120 m and their correlation is stronger than 0.98. Meanwhile, the results provided by the iGGM model are comparable with that obtained by the ETOPO1 model, e.g., the differences between iGGM and ETOPO1 models in test points for Test Areas 1 and 2 are 116 and 70 m in standard deviation, respectively.     

用VOF方法模拟横流下窄缝紊动射流

采用标准双方程k-ε紊流模型和VOF方法建立二维数值模型,模拟有横流情况下底部排污问题.将回流区的分析结果与试验进行了对比,吻合较好.分别将速度和浓度轨迹线拟合成简单的表达式并与试验拟合作了比较.通过对速度和浓度场的分析得到一些有益的结论.     

基于裤式拖网法的虾拖网网囊网目选择性试验与分析

为研究虾拖网网囊网目对主要渔获种类的选择性,于2017年9月在南海区采用裤式拖网法进行选择性试验。在SELECT模型框架下,使用极似然估算法,结合单网次和联合网次的数据,同时考虑网次间差异,估算网囊对主要渔获种类的平均选择性。共完成14网次作业,其中对照网囊之间的渔获性能比较试验4次,试验网囊的选择性试验10次。研究表明:对照网囊的位置对其渔获性能无显著影响;试验网囊对刀额新对虾(Metapenaeus ensis)的网次50%选择体长(L 50)为78.84~92.09 mm,平均为82.38 mm,网次选择范围(SR)为5.01~11.32 mm,平均为6.39 mm,网次相对作业强度(p)为0.44~0.71,平均为0.52;试验网囊对黄斑蓝子鱼(Siganus oramin)的网次L 50为59.20~76.80 mm,平均为71.17 mm,网次SR为5.30~16.87 mm,平均为14.20 mm,网次p为0.43~0.71,平均为0.63。试验网囊对刀额新对虾的网次和平均L 50值均大于其首次性成熟体长(80 mm),可见试验网囊对刀额新对虾的资源利用是合理的。本试验的裤式拖网法和数据处理方法可为今后拖网选择性研究提供参考。     

抛弃式探头下沉运动数值计算的网格划分方法研究

各类抛弃式探头下沉运动的数值计算研究都需要对探头表面和整个计算域进行网格划分的前处理过程,选择不同的网格划分方法和划分精度,会影响数值计算速度和计算精度,最终生成的网格质量决定了计算结果的收敛性和准确性。针对抛弃式探头的复杂结构,对比了两种网格划分方法、三种网格划分精度,完成探头计算区域的网格划分,采用k-ε湍流模型,进行抛弃式探头下沉运动的数值计算,并将计算结果与水箱和水库实验结果进行对比,验证了混合网格划分方法和普通精度网格对抛弃式探头下沉运动数值计算的适用性,研究结果对类似较为复杂结构的水下运动体的数值计算前处理过程具有一定的参考和借鉴意义。     

一种适用于网箱耐流特性有限元分析的网目群化方法

养殖网箱耐流特性是网箱工程设计中的重要问题之一,探求对这一问题的数值解法在近几年得到了空前的重视。但是,由于深水抗风浪网箱箱体规模大,如果在有限元分析中单纯以网衣网目脚为单元进行数值计算,其计算量相当庞大。文中介绍1种可供网箱箱体有限元分析的网目群化方法,根据保持群化前后网衣水中重量和投影面积相等以保证网箱网衣总体水动力相同的原则,将若干个真实网目群化为1个虚拟的计算网目,以达到有效减少计算单元、提高运算效率和节省运算时间的目的。通过不同群化条件下数值例的计算结果与实验值的比较,验证网目群化方法的可行性。在一般条件下,8×8群化或6×6群化能够有效实现计算精度与计算效率的兼顾。     

Simulation of wave propagation over a submerged bar using the VOF method with a two-equation k– turbulence modeling

A two-equation k– turbulence model is used in this paper to simulate the propagation of cnoidal waves over a submerged bar, where the free surface is handled by the volume-of-fluid (VOF) method. Using a VOF partial-cell variable and a donor–acceptor method, the model is capable of treating irregular boundaries, including arbitrary bottom topography and internal obstacles, where the no-slip condition is satisfied. The model also allows the viscous sublayer to be modeled by a wall function approximation implemented in the grid nodes that are immediately adjacent to a wall boundary. The numerical model applied to the propagation of cnoidal waves over a submerged bar can produce results that are in general agreement with some laboratory measurements. Some remarks arising from the comparison between the computational and experimental results are presented.