长周期波作用下平板阵列防波堤消浪特性数值模拟研究

如何有效地抵御长周期波浪是目前海岸工程所需解决的难题。板式防波堤对长周期波浪具有一定的消浪效果,且施工方便、造价低廉、适用范围广,对其进一步的研究具有重要意义。本文基于数值模拟软件FLOW-3D,建立数值造波水槽,以防波堤相对板长L_(0)/L、相对板间距j/L、相对板厚d/H及板数N为研究参数,给出平板阵列防波堤最佳布置方案及尺寸。模拟结果表明:结构参数相对板厚d/H=0.1,板数N=4,相对板间距j_(1)/L=0.3,j_(2)/L=0.1,相对板长L_(0)/L=0.6,非均匀布置四板型式平板阵列防波堤的消浪效果最好,说明该布置形式对周期小于8 s(原型周期T=25.28 s)的长周期波有良好的消浪效果。

流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量影响的试验研究

为研究盐指型双扩散对流过程中流体黏性对通量的影响,使用中间有移动挡板的试验水箱形成初始为静止状态的糖-盐双层系统,并通过调整糖、盐组分质量分数设计了一系列密度稳定比相同而流体黏性不同的试验工况,进行了双扩散对流扩散通量变化规律的试验研究。试验结果表明:流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量的影响不可忽略,在双扩散对流强度相同的条件下,试验流体黏性越大,盐指型双扩散对流扩散通量越小;当试验流体的运动黏滞系数均小于1.15 mm2/s时,糖和盐这两种组分跨界面的双扩散对流扩散通量随流体黏性增大而减小的趋势相近,当两种组分的质量分数持续增大时,盐溶液的黏性仍缓慢增大,而糖溶液的黏性迅速变大,此时糖组分的跨界面双扩散对流扩散通量仍会随糖溶液黏性的增大而减小,但盐组分的跨界面双扩散对流扩散通量不再变化;Stern数与流体黏性呈负相关关系。

支流入汇对干流航道通航条件影响模拟研究

自然河流由于支流的汇入,在交汇区与干流相互混掺顶托,改变了原有的水流形态,形成复杂的水流结构,对内河船舶航运的操纵性和安全性均造成一定影响。采用数值模拟试验方法,基于分离式(MMG)水动力模型,系统地研究了不同交汇角、汇流比以及干支流河道宽度比情况下交汇区船舶通航条件,即船舶航行时的漂角和偏航距离因素,并以此为基础,基于Design-Export响应面分析软件,得出了无量纲化后的最大偏航距离与交汇角、汇流比以及干支流宽度比之间的响应函数。

气泡幕防疏浚泥沙扩散试验研究

河湖疏浚会引起底泥悬扬,造成水体浑浊。为控制疏浚带来的环境污染,尝试利用气泡幕拦浑,现场与室内试验随即开展。通过比较有无气泡幕时固定测点泥沙浓度的变化,探究气泡幕对天然泥沙和高岭土颗粒的拦截效果。在此基础上,提出气泡幕拦浑率的概念。测量气泡幕后侧泥沙浓度时空变化,分析单宽曝气量对气泡幕拦浑率的影响。试验结果表明:气泡幕具有一定的拦浑效果,其对天然泥沙的拦浑率达0.8,对高岭土颗粒的拦浑率超过0.4;随着单宽曝气量增加,气泡幕拦浑率先增长后降低;气泡幕在防疏浚底泥扩散方面具备良好的适用性,特别是,与防污帘组合使用时,可进一步减少悬浮泥沙扩散量,又能允许船舶自由通行疏浚水域。

基于BIM仿真的复杂空间岸坡施工技术应用

为解决内河框架式码头筑岛法施工后期岸坡施工的难题,依托宜春港樟树港区河西作业区综合码头工程,运用BIM技术开展筑岛、填土开挖与岸坡抛石的施工仿真,提出“开挖填土分区作业、水陆协同、护岸抛石自卸与网兜相结合”的技术方案。工程实践表明,与钢平台法相比,筑岛法施工节省总工期约40 d,节约施工成本约700余万元,其中,复杂空间岸坡施工新工艺缩短工期10 d。研究成果可为类似工程提供参考。

气泡幕拦浑技术在港池疏浚中的应用

为指导气泡幕拦浑实践,采用理论推导,给出气泡幕拦浑所需单宽曝气量的计算公式,以及气泡幕开孔管径尺寸的计算方法,将新的计算公式和方法应用于宜春港樟树港区河西作业区综合码头的港池疏浚工程的气泡幕拦浑作业,并总结气泡幕拦浑施工工艺。结果表明:气泡幕具备良好的拦浑效果,但气泡幕拦浑最佳单宽曝气量小于理论值。总体来看,气泡幕装置结构简单、安装方便,拦浑效果良好,且不妨碍船舶正常通行,与防污帘组合使用阻拦悬沙扩散效果更佳。

Level set函数重新初始化的并行快速步进法

为提高level set函数重新初始化的计算效率,基于分区并行思想,提出一种快速步进法的并行策略,实现level set函数的快速并行重新初始化。通过对圆球、五叶管和圆环管等算例的level set函数重新初始化,讨论了新并行算法的准确性和效率。结果表明,与串行快速步进法相比,并行算法保留了串行算法的精度,仍基本保持在1阶左右,同时显著减少了重新初始化的计算时间,特别在8线程条件下,所获的最佳加速比能够达到5。

Level set函数快速步进重构并行算法的改进

为提高level set函数快速步进重构过程的并行计算效率,本文提出一种改进的分区并行重构算法。与原有分区并行算法相比,优化了子区域间的同步方案,缩短了level set函数并行重构的计算时间。运用OpenMP多线程技术,建立了相应的并行计算模型,实现了圆球、圆环管和哑铃等值面并行重构。并行重构数值结果表明:只要子区域均分初始表面边界,level set函数全局或局部并行重构均具有良好加速比,8线程的最大加速比可接近6。

V型河道下滑坡涌浪的传播与爬高

为了研究V型河道中滑坡涌浪的传播形态及爬高特点,采用有限差分法,基于计算流体力学软件Flow-3D,建立数值模型对滑块沿斜坡下滑涌浪的产生和传播过程进行了模拟。并以千将坪滑坡为例,分析了大型滑坡体在V型河道下涌浪的产生、传播及爬高特征,在此基础上研究了不同爬坡坡度和水深对最大波高和最大爬高的影响。研究结果表明,模拟结果与实测资料基本一致;深V型河道中涌浪的爬高受两岸坡度影响突出,通用的爬高计算公式可能会明显低估涌浪爬坡坡度;最大涌浪高度随水深增加呈先增加后减小的变化趋势。

一种新型三维水流数值模型

以不可压缩流体的N-S方程为基本控制方程,用快速粒子level set方法(FPLS)追踪自由表面,提出了一种新的三维水流数值模型。在自由表面处应用虚拟压力法来封闭压力泊松方程,同时用速度等值外插的方法构造自由表面外侧的虚拟速度分布。通过模拟水波振荡、水柱崩塌、水滴滴落和空箱注水过程证明了模型的有效性。

自适应四叉树网格下的N-S方程数值求解模型

提出了一种自适应四叉树网格下的N-S方程数值求解模型.网格能够根据涡度值大小进行自动加密或合并,以达到在不显著增加计算量的前提下,提高重点区域分辨率的目的.模型中采用了无条件稳定的MacCormack格式计算对流项,采用修正的中心差分格式离散压力泊松方程,并提出了在树型网格下黏性项的变通离散格式.通过算例证明,利用新模型所得到的压力泊松方程的数值解具有二阶精度,速度解的精度超过一阶.计算得到的方腔流中轴线上速度分布与Ghia计算结果一致,圆柱绕流中拖曳力系数和升力系数与实测结果一致.方腔流算例还表明,在相同分辨率情况下采用自适应网格计算时间可减少近一半.

空间自适应的快速粒子Level Set方法

Level set作为一种有效的界面追踪方法,已经被广泛地应用到单相流的自由表面追踪或多相流的交界面追踪.快速粒子level set方法(FPLS)是一种改进的level set方法,既具有较高的界面追踪精度,又有较高的计算效率.将其与自适应网格结合起来,提出了一种基于树型结构空间自适应的快速粒子level set方法(SA-FPLS).通过在交界面附近设置高分辨率网格带,且只在高分辨率网格带内求解level set方程,既进一步提高了交界面模拟精度,又可以节省计算机内存,同时保持较高计算效率.

浅谈卓越计划下港航专业人才的培养措施

"卓越工程师教育培养计划"(卓越计划)的实施是对传统工科人才培养模式的一种革新。本文就长沙理工大学港口航道与海岸工程(港航)专业的卓越人才培养进行探讨,并从提高大学生科学素质、提升文化素质和培养工程素质的角度提出了相应的培养措施。

V形河谷滑坡涌浪爬高估计

为了探究各因素对V形河谷滑坡涌浪爬高值的影响,提供有效可靠的爬高值计算依据,评估V形河谷滑坡涌浪爬高风险,开展了141组工况的数值模拟试验,分析了多个参数(包括滑坡体体积、滑坡入水速度、滑坡角度、爬坡角度及滑坡体水下滑行时长)对涌浪爬高的影响,通过多元回归分析提出了滑坡涌浪爬高的经验公式。将新公式用于估计龚家方滑坡涌浪的爬高,结果表明:新公式的估算结果与实测结果接近,可为计算和预测其他V形河谷滑坡涌浪最大爬高值提供参考。

快速粒子level set方法的并行化

为缩短快速粒子level set(FPLS)方法追踪交界面的时间,分别运用区域分解和粒子分解算法来减少欧拉计算(level set对流方程和重新初始化)和拉格朗日计算(粒子时程积分和误差校正)的开销。算法采用OpenMP技术来实现,并通过Zalesak圆盘、单涡以及三维变形等典型算例进行验证。计算结果表明:4线程下加速比能超过2,8线程下加速比也能接近4,并行化的FPLS方法具有良好的实用性和可扩展性。

Level set函数快速步进重构的隐式分区并行

为进一步提高共享内存架构下level set函数重构并行效率,本文提出一种隐式分区并行重构方法,该方法无需提前进行区域分解,只需预先分割交界面,便可实现快速步进并行重构,且区域分解也同步进行。根据圆球、Zalesak球和哑铃等值面快速步进并行重构结果表明:隐式分区算法的计算耗时小于显式分区算法;相同线程数量下隐式并行算法带来的加速比与显式算法接近,8线程下隐式分区并行算法的加速比达到4;隐式分区算法中节点重演次数少于显式分区算法节点回滚次数。

海岸动力学课程思政的实践与探索

根据高校应用型人才培养目标与新工科课程教学特点,挖掘海岸动力学思政资源,探索课程教学内容与思政元素融合方式,创新专业课程思政教学方法,实施海岸动力学课程思政教学,落实“三全育人”理念[1],提高高校学生的思想政治水平和综合素质,并为港口、航道与海岸工程专业课程思政教学提供借鉴与参考。

波流作用下大直径淹没圆柱局部冲刷试验研究

水下大直径淹没圆柱在波流共同作用下的冲刷特性与非淹没情况有较大差别。在波流水槽中开展局部冲刷试验,将大直径淹没圆柱模型安装在中值粒径0.22 mm的平底沙床内,改变波浪波高和周期、水流流速和方向、圆柱淹没率,测量圆柱周围流速变化,记录柱周冲深发展历时,运用激光地形仪测量冲刷坑的地形形态,分析了淹没率S r和相对高度h c/D对准平衡冲深的影响。结果表明,相同入射波流条件下,随相对柱高h c/D降低,冲刷发展速率、冲坑半径和深度都随之减小。当相对柱高h c/D>1时,冲深随柱高增长速率较快直至达到临界值。准平衡冲刷坑呈“倒勺状”,沿圆柱左右两边呈对称分布,柱前呈半环状;圆柱正后方淤积成“马鞍状”沙丘。

孤立波作用下淹没垂直桩柱局部冲刷试验研究

孤立波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致采用淹没式桩基础的近海建筑物周围发生局部冲刷,严重影响近海建筑物的稳定性。采用中值粒径为0.22 mm的均匀沙在波浪水槽中布置平底沙床,在两种不同桩径条件下,对孤立波作用下淹没桩周围的冲刷发展过程进行了记录分析,探讨入射波高及淹没率对局部冲刷的影响,并从冲刷形态方面对比分析了孤立波与单向水流、规则波作用下局部冲刷的异同。结果表明:在相同淹没率条件下,随着入射波高的增大,桩周冲刷形态由双喇叭型向瞬态型冲刷形态发展;在相同入射波高条件下,桩高与桩径比h_c/D位于1～7范围内,淹没率对桩前最大冲刷深度影响不大,而桩后最大冲刷深度随淹没率增大而减小,并给出了淹没因子K_s与淹没率的多项关系曲线;孤立波与单向流作用下的淹没桩周围地形变化相似,而与小周期规则波作用下的地形变化差异较大。对实测数据进行多元回归得到冲刷深度的综合计算公式,经验证该公式计算值与实测值最大误差不超过7%。

波浪作用下斜坡沙质海床上桩柱周围局部冲刷试验研究

在斜坡上桩柱引起的局部冲刷与平底条件下产生的冲刷存在差异。布置中值粒径为0.320 mm、坡度为1∶16的斜坡沙床,开展规则波作用下桩柱周围的局部冲刷试验研究。试验主要考虑小Keulegan-Carpenter数(KC数)条件,探讨了波高、波周期和桩柱位置对局部冲刷的影响,并从最大冲刷深度和冲刷形态两个方面对比分析了斜坡与平底条件局部冲刷的异同。结果表明:斜坡上桩柱位置对局部冲刷有较大影响;在相同的KC数条件下,斜坡沙床上的最大冲深大于平底沙床;斜坡沙床的清水冲刷形态与平底沙床差异较大,而浑水冲刷形态相似。