规则波作用下台阶地形上墩柱绕流三维数值研究

利用Flow-3D建立三维数值波浪水槽,模拟波浪在不对称台阶地形上的传播。系统研究规则波作用下墩柱周围水流的流动特性,分析墩柱周围的瞬时速度场、涡量场以及KC值变化,不同相位时墩柱前、后水平流速分布情况。结果表明:波浪在台阶地形传播的过程中,墩柱迎水面的涡动结构不够明显;高涡量呈对称状聚集在墩柱的背水面,并形成一对旋转方向相反的涡结构;周期对KC值的影响比波高的影响要明显;墩柱迎水面水平方向流速变化较大,侧面水平流速变化最为剧烈,背面由于受到墩柱的掩护作用水平方向流速变化不大,在墩柱的正面和侧面竖向环流明显。     

楔形体在波浪中自由入水的数值模拟

物体入水时波浪的影响不可忽略,基于流体力学模型采用VOF法,并利用自定义函数,模拟了楔形体的自由入水过程;同时结合推波板原理及海绵层消波理论实现了数值水槽的造消波,完成了波浪中楔形体自由入水的模拟,计算了楔形体入水时所受的水作用力、自由液面变化及物面压强分布等,研究了不同波高、周期以及在波浪不同位置入水时对楔形体的影响。结果表明:本文建立的数值模型可很好地模拟楔形体入水造成的射流及空泡的形成发展过程,波浪对楔形体入水的影响主要由波浪内部流场变化及表面波形决定,在波浪不同位置处入水对楔形体受力及入水形态均有较大影响。     

波浪作用下带月池结构船体运动数值预报

流体在月池内发生共振时,有可能给船舶带来多种危险。建立基于N-S方程和VOF法的三维数值波浪水池,通过实现船体与波浪的耦合运动,对月池内流体发生活塞运动共振情况下的船体运动做出了数值预报,研究了船体运动和月池内流体运动的相互影响。通过与无月池结构船体运动对比,得到了共振情况下月池内流体活塞运动会增大船体垂荡运动的结论;通过与船体静止情况下月池内流体运动的对比,得到了船体运动会增大月池内流体活塞运动的结论。另外还研究了月池内的流场变化,以研究月池振荡的机理。     

波浪对海底管线作用的物理模型实验及数值模拟研究

利用物理模型实验，测量了海底管线在波浪作用下的水平力和升力，并应用Ｍｏｒｉｓｏｎ方程及流函数理论，按最小二乘原理得出ＣＤ和ＣＭ以及ＣＬ，讨论了它们与ＫＣ，Ｒｅ之间隙比ｅ／Ｄ的关系。本文带应用边界拟合坐标及二维流场的大涡模拟法，模拟了与实验相同工况下海底管线的受力及流场情况，并把物理模型实验和数值模拟的结果进行了比较。     

复杂结构形式的海堤波浪力及波浪形态数值模拟

依据雷诺方程和k-ε紊流模型,按流体体积(VOF)法追踪波浪自由表面,采用源造波法,建立数值波浪水槽,数值模拟波浪对复杂结构形式海堤的作用.数值模拟结果与经验公式、物理模型试验结果基本符合,说明所建立的数值波浪水槽合理可行.揭示了不规则波作用下复杂结构形式海堤波浪力分布规律,模拟了堤前波浪形态变化,为探讨合理的海堤结构形式提供了依据.     

椭圆余弦波作用下海床响应特征的有限体积法数值分析

椭圆余弦波是一种常见的浅水非线性波,对近岸区海床的稳定性有重要影响.本文根据有限体积法原理,基于开源流体力学计算平台OpenFOAM,利用C++语言编制了波致无粘性土海床响应的数值计算程序,联合波浪数值模拟软件,对椭圆余弦波作用下海床的瞬态响应、累积响应及其渐进液化特征进行了分析.与线性波作用下海床响应计算结果的对比分...     

波浪谱形对不规则波数值模拟的影响

通过数值模拟分析了波浪谱形对不规则波浪数值模拟结果的影响.采用不同参数的JONSWAP谱模拟入射波要素,基于抛物型缓坡方程模拟不规则波浪的传播,分析了波浪谱形状对波浪数值模拟结果的影响.结果表明,采用抛物型缓坡方程模拟不规则波浪时,入射波浪谱形对模拟结果影响不明显;但由于模型中非线性项的影响,采用不规则波模拟的波高分布和采用规则波模拟的结果略有差别.     

波浪作用下三角型人工鱼礁水动力特性数值模拟与实验验证

人工鱼礁在波浪作用下水动力特性的研究对于人工鱼礁的工程安全与设计具有非常重要的意义。基于有限体积法,采用推板造波形式,通过利用VOF方法求解波面的方式建立了模拟人工鱼礁与波浪相互作用的三维数值波浪水槽。基于该数值模型研究了波浪作用下三角型镂空人工鱼礁的受力情况,并与物理模型实验结果进行比较,结果显示模拟得到的人工鱼礁受力和波浪形态均与实验结果吻合良好。根据数值模拟结果,拟合出波浪作用下人工鱼礁的水动力系数。单体三角型镂空人工鱼礁的速度力系数Cd随着Kc数、Re数的增加呈现减小的趋势;惯性力系数Cm则随着Kc数、Re数的增加呈现波动趋势。数值模拟结果显示在一个波浪周期内,人工鱼礁周围产生了较强的上升流和回流,其内部产生了明显的涡旋结构。研究结果为人工鱼礁的设计优化提供了理论依据。     

波浪数值模拟的可视化研究

研究了数值计算中对波浪场数据进行处理的可视化系统,利用VB和MATLAB混合编程实现了数值模型计算边界条件的输入以及计算结果数据的可视化处理问题,并介绍了系统实现的操作过程。有效提高了数值计算结果的分析效率,对改善分析计算的工作环境有积极的意义。     

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.     

侧边界对内长波传播影响的数值模拟

利用修正的非线性水平二维Lynett-Liu内长波数值模式,模拟了小振幅孤立子内波进出水道口的传播过程,及其穿过狭窄水道的衍射过程。通过分析孤立子内波垂向波形和水平二维纹理图像随水道口的形状及开阔水域宽度的变化．研究了侧边界对孤立子内波传播所产生的影响,并与卫星遥感图片进行了对比。     

内孤立波与深海立管相互作用数值模拟

提出了一种对内孤立波与深海立管相互作用耦合数值模拟方法。流场采用内孤立波数值水槽方法进行模拟,结构响应采用基于薄壳理论的有限元方法进行计算,采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的方法,实现了流体与固体之间的耦合数值模拟。对内孤立波作用下某长径比为1 200的深海立管载荷及其动力响应特性进行了数值模拟与分析。结果表明内孤立波不仅会对深海立管产生突发性剪切载荷作用,而且还会使立管产生大幅度变形响应现象,因此在深海立管设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。研究表明,该方法为研究内孤立波作用下深海立管动力特性及其工程预报相关问题提供了一种有效的手段。     

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。     

初始倾斜跃层所致内波的数值研究

The pycnocline in a closed domain is tilted by external wind forcing and tends to restore to a level posi- tion when the wind falls. An internal seiche oscillation exhibits if the forcing is weak, otherwise internal surge and internal solitary waves emerge, which serve as a link to cascade energy to small-scale processes. A two-dimensional non-hydrostatic code with a turbulence closure model is constructed to extend previous laboratory studies. The model could reproduce all the key phenomena observed in the corresponding labo- ratory experiments. The model results further serve as a comprehensive and reliable data set for an in-depth understanding of the related dynamical process. The comparative analyses indicate that nonlinear term favors the generation of internal surge and subsequent internal solitary waves, and the linear model predicts the general trend reasonably well. The vertical boundary can approximately reflect all the incoming waves, while the slope boundary serves as an area for small-scale internal wave breaking and energy dissipation. The temporal evolutions of domain integrated kinetic and potential energy are also analyzed, and the results indicate that about 20% of the initial available potential energy is lost during the first internal wave breaking process. Some numerical tactics such as grid topology and model initialization are also briefly discussed.     

两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟

提出基于双推板的内孤立波数值造波方法,对两层流体中内孤立波与潜体的相互作用进行了数值模拟,分析不同潜深下潜体所受的内孤立波载荷特性.结果表明,内孤立波对水下潜体的载荷作用是不可忽视的.特别地,当潜体位于内孤立波中时,其所受的垂向力要远比潜体位于内孤立波下时的大.     

内孤立波作用下半潜平台荷载及其周围流场数值模拟研究

内孤立波对海洋平台的安全运行存在一定的威胁,基于三维数值水槽对内孤立波传播引起的半潜平台受力及其周围流场的分布进行了数值模拟研究.通过与试验对比,分析了入射波幅和分层流体深度比对半潜平台上内孤立波荷载特性的影响规律,验证了数值模拟结果是准确可靠的.研究表明,内孤立波引起的平台荷载会随着内孤立波波幅的增加而增大,随着分层流体深度比的增加而减小.基于对平台周围剖面速度场和三维涡场的演化规律研究,发现在内孤立波传播过程中,平台周围会出现明显的速度减小区,平台周围会有大量的漩涡产生并发生脱落现象.     

破碎波作用下圆端形桥墩受力特性数值模拟

当波浪由外海向跨海桥梁所在的近岸海域传播时,随着水深急剧变浅,波浪会发生破碎。强非线性的破碎波会给桥墩结构带来极大冲击作用。基于计算流体力学(CFD)数值软件Flow-3D建立三维数值水槽,造波边界设为斯托克斯五阶波。通过在数值水槽中建立逐渐浅化的三维地形,采用k-ω湍流模型求解雷诺平均N-S(RANS)方程,模拟破碎波冲击桥墩。与前人水槽试验及数值模拟结果进行比对,验证数值水槽的有效性。采用验证过的数值水槽,研究了不同入射波高和周期下的破碎波浪特性,计算了不同长宽比圆端形桥墩在不同入射波高的破碎波作用下受力和流场变化,讨论了最大压强作用点、准静态力和冲击力随桥墩长宽比的变化规律。研究表明:与前人试验和数值模拟相比,所建立的数值水槽具有较高精度;圆端形桥墩破波力随桥墩长宽比增大,先增大后趋于稳定,破波力峰值随着入射波高的增大而增大,同时,圆端形桥墩破波力峰值主要由冲击力控制。进行跨海桥梁圆端形桥墩设计时,应重点关注桥墩长宽比和破碎波冲击力的影响。     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

内波吸引子的数值模拟

密度稳定层结的流体中产生的内波沿着由内波固有频率、流体浮力频率等因素所确定的特征线(或内波射线)传播。边界上的反射不改变内波的频率,从而也不改变反射后的内波特征线与重力方向所成的夹角。侧边界倾斜的封闭容器内,内波能量沿特征线传播的过程中经侧壁、表面和底面的反射可能会集中在一个封闭的轨道上,形成内波吸引子。该现象已经得到水槽试验、线性理论和数值试验的验证。本文利用非线性非静压的环流模式MITgcm,模拟了二维封闭区域中(1,1)-吸引子和(2,1)-吸引子的形成过程,并讨论初值条件对它们的影响。稳定的(1,1)-吸引子其极限环两侧流速出现很强的剪切流。当减小地形的坡度时,由于线性因素的增加,吸引子的结构不变,但吸引子厚度在相空间中的收缩速度加快。对于(2,1)-吸引子,由于轨道所成的两个环中间的节点耗散了部分能量,吸引子的收敛速度较慢。节点处,流体速度始终为0,但存在强烈混合,流体浮力频率呈现振幅较大的周期变化。