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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

国内外模拟溢油波浪水槽的最新研究进展

利用模拟设备模拟海面真实溢油情景是研究溢油分散、污染损害评估及其组成变化特征最方便、快捷的方式,因此模拟设备的水体环境越贴近海洋实际,研究数据越真实可靠。文章对国内外模拟溢油的波浪水槽进行详细评述,主要包括美国国家溢油应急测试机构建立的Ohmsett波浪水槽、加拿大贝德福德海洋学研究所的波浪水槽、挪威科技工业研究院的波浪水槽和国内比较典型并已有相关报道的深圳市计量质量检测研究院的海上溢油风化模拟系统。通过对以上最具代表性的国内外波浪水槽的介绍、分析和比较,借鉴国外研究经验,对我国模拟溢油波浪水槽的建构提出建议,旨在为溢油研究工作者提供多种可参考的波浪水槽设备,完善现有模拟设备的不足。     

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.     

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。     

波浪水槽中振动格栅湍流特征的实验研究

在波浪水槽中采用格栅振动的方式产生湍流,研究振动格栅产生湍流的特征。本文开展了4类实验,调节测量点到格栅平均位置的距离、格栅振动频率、振动冲程,采用ADV测量水体中单点的脉动速度。实验结果显示,湍流强度在一定范围内随离格栅距离的增大而逐渐减小,随着振动频率的增大而呈幂指数增大,随着振动冲程的增大而呈幂指数增大。同时还比较了两个不同格栅产生湍流的不同。结果显示,在波浪水槽中,振动格栅产生湍流的强度还与格栅的长度尺寸有关,这与在水箱中振动格栅产生湍流的特征不同。     

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。     

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。     

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。     

极限波浪运动特性的非线性数值模拟

利用时域高阶边界元方法建立了模拟极限波浪运动的完全非线性数值模型,其中自由水面满足完全非线性自由水面条件.采用半混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,同时应用镜像格林函数消除水槽两个侧面和底面上的积分.研究中利用波浪聚焦的方法产生极限波浪,并且在水槽中开展了物理模型实验,将测点试验数据与数值结果进行了对比,两者吻合得很好.对极限波浪运动的非线性和流域内速度分布进行了研究.     

波浪对透空式结构物冲击作用的光滑粒子流体动力学数值模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的二维数值波浪水槽模拟了规则波对透空式结构物的冲击作用。通过黎曼解和CSPM相结合的方法对连续方程和动量方程进行了修正。对造波边界采用虚粒子法模拟。提出了一种耦合计算方法来消除造波边界附近的压力波动现象,在结构物边界处设置了适合的冲击边界条件。应用修正的SPH模型模拟了规则波对浪溅区结构物的冲击作用,给出了结构物附近流场和压力场的变化特征,并应用物理模型试验结果对数值模型进行了验证。