三维时域自由面格林函数法的时域绕射力计算研究

船舶工业CAE软件势流求解器的开发对势流计算方法的可靠性提出要求,本文针对三维时域面元法开展绕射力计算研究。首先引入三维时域自由面格林函数,其瞬时项的求解采用Hess&Smith方法,记忆项的求解采用Beck团队的方法;其次,推导出全浪向绕射力脉冲函数法编程所用的数学表达式;然后,采用分布源模型求解源强和速度势,并采用压力直接积分法求出时域绕射力;最后,针对Wigley I船型开展绕射力和FK力计算,并与公开的试验和计算结果进行对比,验证本文方法的可靠性。本文方法和代码可用于船舶工业CAE软件势流求解器和波浪中船舶非线性失稳运动预报。

基于弯矩修正法的浅水区海底直铺管道允许悬跨长度计算

海底管道悬空问题是管道工程建设中经常遇到的重要问题,当管道的悬跨长度达到一定值时,管道较容易失稳,而悬空油气管道失稳破坏导致的后果往往非常严重,因此需要对悬空的海底管道进行定期的维护和处理,但由于海上作业难度大,针对悬空管道的治理成本非常高,因此可考虑对处于悬空但在安全允许悬空范围内的管道暂时不进行加固,此时就需要计算管道的允许悬跨长度,为管道的治理提供依据。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道的悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。本文考虑浅水区波浪的非线性影响,推导得到浅水区波浪场内任意一水质点的水平流速和竖向流速计算公式,并根据该公式和Morison方程,进一步建立了管道悬跨水动力载荷的表达式,最后基于弯矩修正法,提出浅水区平铺海底管道允许悬跨长度计算公式。根据工程实例,结合本文研究,计算得到该工程所在海区平铺管道允许悬跨长度。

基于最大差异选择算法的代表性海况选取

数值模拟及物理模型试验是研究近岸波浪的重要方法。在实施数值模拟和物理模型试验前,需要根据近岸波浪特征确定入射波浪要素。近岸波浪往往是由混合浪主导的,包含多个独立的波浪系统,每个波系都需用多个波浪特征参数进行描述,因此实现多波浪系统的代表性海况的选取具有重要意义。首先介绍了数据挖掘算法,随后根据汉班托塔港的实测波浪数据,运用最大差异选择算法(MDA)分别选取了二维、三维以及多维特征参数描述下的代表性波浪条件。结果表明,对于可进行人为筛选的二维波浪特征参数,MDA算法的筛选结果优于人工筛选结果。在三维及多维波浪特征参数条件下,MDA算法选取的代表性海况在数据空间上分布均匀,具有较高的代表性,证实了MDA算法适用于选取混合海况下的代表性波浪特征参数。

不同混合浪表征方法下港内波况数值模拟

以一组波浪参数描述波浪的总体表征法在精确表征混合浪时具有局限性,通过将波浪频谱划分为独立波系并以参数化形式表征每个波系的多波系表征法,可以更精确地表征混合浪。通过数值模拟方法探讨混合浪的不同表征方法对港内水体扰动的影响,运用不同的表征方法对秘鲁钱凯湾的3个实测波浪谱进行重构,作为数值模拟的输入波谱,并且检验总体表征法在描述混合浪时引入的典型误差。结果表明,长涌浪波系对港内水体扰动有显著影响,对其能量水平的高估或低估会导致相应的误差;与多波系表征法相比,总体表征法得到的平均波向往往与实际情况不符,会导致对防波堤掩护效果的误判。

磁场下微通道中磁-非磁液界面不稳定性分析

微通道中稳定、清晰的界面是进行颗粒进一步筛选的重要基础,将磁液作为核心流,非磁液作为鞘流有利于颗粒在外加磁场作用下进行微流控聚焦。本文基于对三相层流微流控芯片中磁液-水界面实验分析和力学模型求解,引入量纲为1数Pe、Bo_(m)、Ca、W、Re,以及表征界面颗粒运动状态的时间t_(T)、t_(d)、t_(i),得到d/h∝(X/Pe)0.633~0.852界面上力的大小依次为:磁力>界面张力>惯性力>黏性力。Q_(w)/Q_(f)=2,Q_(f)=15μL/min时,核心流的黏性耗散影响较小,界面位于通道中心处较为稳定。界面磁颗粒扩散时间t_(d)∝(X/Pe)^(0.523~0.872)在入口阶段振荡剧烈,加速流体混合,同时磁场梯度和流体扩散速度的增大会导致界面时间t_(i)∝(X/Pe)^(0.778~1.172)剧烈变化,当X=225~250时,t_(T)>t_(i)>t_(d),颗粒聚焦效率最高。

液舱晃荡对压载水型浮式防波堤消浪性能的影响

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了波浪与压载水型浮式防波堤相互作用的数值模型,模拟分析了波浪场分布特征,探究了液舱晃荡对压载水型浮式防波堤消浪性能的影响.结果表明:压载水型浮式防波堤通过减小防波堤运动响应和增大对入射波能量的消耗来提升消浪性能;对比干砂型浮式防波堤,压载水型浮式防波堤消浪性能最高可提升21.9%;常见入射波浪频率接近液舱晃荡固有频率,引起舱内液体会发生共振现象,导致防波堤消浪性能减弱;在防波堤液舱内部加入竖向挡板,改变其液舱晃荡的固有频率,加入挡板后防波堤消浪性能最高可提升51.6%.结果有望为海岸防护工程领域提供新的思路和解决方案,为实际工程提供一定的参考.

冰层覆盖海洋中脉动源生成水声波的传播特性

考虑用弹性板来模拟海洋表面冰盖,将海水视为具有刚性底部的可压缩无黏流体,在线性势流理论基础上研究了此环境下水声波(声重力波)的传播特性.推导了在质量点源的脉动作用下冰水交界面位移和冰层覆盖水域声压的近似解,探讨了弹性冰层的厚度、弹性冰层的侧向应力以及流体深度等物理量对水声波传播的影响.研究结果发现:随着弹性冰层厚度的逐渐增加,冰水交界面位移会先增大后减小,然后逐渐趋近于0,而冰层覆盖水域声压先保持不变,而后逐渐减小;弹性冰层的侧向应力对冰水交界面位移和冰层覆盖水域声压的影响并不明显;流体深度的增加会导致冰水交界面位移和冰层覆盖水域声压均呈减小趋势.

基于P-M谱的波浪荷载数值模拟及其对跨海斜拉桥的冲击响应规律研究

针对深水桥梁在海洋中面对波浪的冲击问题,以某跨海斜拉桥为例,设定P-M谱为目标谱,依据Welch算法对海浪功率谱进行验证,基于以上理论采用fluent软件建立数值波浪水槽,根据重现期为10年、50年和100年分别计算对应的波高为6.4 m, 7.2 m和9.6 m的波浪力,并将波浪力导入斜拉桥进行动力响应计算。综合分析大桥的动力响应,结果表明,(1)纵桥向波浪力是由横桥向波浪冲击桥墩出现绕射效应而产生,所以斜拉桥所受横桥向波浪力远大于纵桥向波浪力;(2)随着波高的增大,斜拉桥的动力响应峰值逐渐增大,主跨跨中和塔顶动力响应峰值随波高的增长率最快,次边跨跨中动力响应峰值随波高的增长率次之,边跨跨中动力响应峰值随波高的增长率最慢;(3)随着波浪荷载的增大,塔顶横向位移响应增幅显著,塔顶位移响应峰值最大达到0.0598 m。相关研究对大跨度深水桥梁的设计和动力分析有一定的参考意义。

基于变折射率透镜原理的水波控制方法

通过理论推导和数值模拟验证,对基于变折射率光学透镜原理设计特殊变密度流体域来控导水面波的机理开展了研究。研究结果表明,依据让光线转向的Eaton透镜设计的变密度流体域可以让平行入射的水面波转向传播,使得下游区域的波浪强度明显减弱,从而减轻涉水工程受到波浪影响;而依据让光线聚焦的Luneburg透镜设计的变密度流体域可以让平行入射的水面波聚焦于一点,使得该点波浪强度显著增强,进而利于波浪能的收集利用。进一步分析表明,根据具体工程需求和现场条件,设计和布置不同大小和功能的变密度流体区域,从而实现对水面波的调控是具可行性的。该理论和方法可为水利和海洋工程中制定波浪的防范和利用措施提供新的思路。

波浪滑翔器海洋观测数据质量控制研究

观测数据的准确性和可信度是波浪滑翔器数据质量控制的核心,有效的数据质量控制方法是波浪滑翔器观测数据推广应用必不可少的技术手段。为提升波浪滑翔器观测数据质量,文中以气温和气压数据为例,提出一种新型海洋观测数据质量控制方法,该方法包括数据检验和数据修正环节:数据检验通过范围检验和尖峰检验对波浪滑翔器观测数据进行异常值剔除;数据修正采用反向传播(BP)神经网络算法对检验后的观测数据进行数据修正,提升观测数据整体准确性。利用“黑珍珠”波浪滑翔器集成的AIRMAR-BP200和GILL-GMX600气象传感器进行比对试验并获取大量数据样本,将该样本数据用于BP神经网络模型训练。同时,为验证所提出的数据质量控制方法的有效性,对“黑珍珠”波浪滑翔器海上试验获取的观测数据进行数据质量控制和分析,结果表明文中提出的数据质量控制方法可有效提高观测数据的准确性。

不规则波浪作用下带腹板型浮式防波堤的水动力特性研究

本文基于福州港松下港区拟建的浮式防波堤开展研究,建立不规则波浪与带腹板型浮式防波堤相互作用的数值模型,通过开展水槽试验,对该模型进行验证。进而对带腹板型浮式防波堤的水动力特性进行模拟分析,讨论波浪透射系数和锚链拉力的影响因素。结果表明,防波堤的消浪性能随吃水深度、腹板高度和浮箱宽度的增大而提升;在入射波浪有效周期接近纵荡自振周期时,锚链拉力显著增大,在浮式防波堤设计中,应使得结构纵荡自振周期远离设计波浪周期。研究结果可为实际工程设计提供参考。

基于二维海浪谱的风涌浪分离方法研究

海浪通常以风浪和涌浪混合的形式存在。二者的成长、消衰、传播和破坏机制各不相同,实现风涌浪分离对海洋研究和工程应用具有重要意义。基于斯里兰卡汉班托塔海域的实测数据,讨论了传统波龄法中波龄阈值的选取问题,并对汉班托塔海域的海浪特征进行分析,最后利用波龄法对新提出的不依赖风速风向信息的超射法进行了研究。结果表明,波龄阈值取1.7时最为合理。汉班托塔海域为外海涌浪主导。超射法对外海涌浪的识别结果与波龄法一致,而对高频位置的风浪和局地涌浪给出了不同的结果,这主要是由海浪物理特性的改变慢于风速风向的变化引起。

珊瑚礁地形中波浪传播变形及增水模拟

本文基于VRANS方程建立数值模型,将珊瑚礁表层简化为具有恒定孔隙率的多孔介质,模拟分析了在带有潟湖的珊瑚礁地形中不同入射波浪参数对礁坪上及潟湖中波高分布和增水效应的影响.结果表明,规则波浪在珊瑚礁地形上发生破碎后,在礁坪上波高明显降低;同时,在珊瑚礁多孔介质的作用下,增水效应最明显的位置位于礁坪上靠近礁缘处,入射波高和周期越大,在礁坪及潟湖中的波高分布和增水越大.研究结果对多孔礁体上的波浪变形和增水规律作出了解释,同时也为分析礁坪上构筑物出现失效和破坏的原因提供了参考.

基于不同方法的某工程设计波浪要素确定

根据某工程实际情况,采用MIKE21和莆田风浪要素公式分别计算设计波浪要素。MIKE21数值模拟计算结果表明,工程区附近的E~ESE向和SE~SSE向波浪较大,S~SSW向波浪相对较小。根据计算结果,两种方法所的波浪要素基本一致,从安全角度考虑,采用较大的数值作为设计依据,不同段波浪平均爬高为0.65 m~2.13 m,可为工程后续设计工作提供参考。

圆形重力式网箱浮架结构在波浪作用下的运动响应

依据Stokes二阶波浪理论和莫里森(Morison)方法,对圆形重力式网箱的浮架结构在两种锚碇系统(折线形和直线形)的作用下,浮架上特定点的运动轨迹进行了数值计算与水槽试验,比较结果发现在研究的波况下浮架的运动位移受波长影响较小,而与波高关系密切,在锚碇系统的约束下水平位移远小于垂向位移。数值计算与试验数据吻合较好,表明了此计算方法的可行性,为进一步模拟浮架结构的受力与变形打下基础。

太湖波动特征分析

浅水湖泊中,富营养化程度除了依赖于外源输入外,内源释放亦是举足轻重,而底泥中的内源释放主要源于风强迫作用下形成的水面波动和底层湖流产生的剪切作用,并且波浪产生的切应力远大于底层湖流产生的切应力。此外,湖岸边界处的波浪作用够侵蚀岸堤,造成泥沙堆积而由此导致航道淤积,波浪作用引起的对水体中营养盐的水平和垂直输送会造成整个湖体中不同地区的水质差异,这也是太湖蓝藻水华爆发具有季节性和区域性的原因之一。本文基于在太湖北部、中部和南部利用波浪仪所观测的数次波浪数据,分别计算了平均波、有效波和1 10大波的周期、波高和波长及其由波浪产生的切应力,并利用验证后的浅水波浪模式,对太湖中冬、夏季盛行风作用下的易悬浮区域做了计算,发现夏季东南风作用下,西北沿岸带由其水浅和风的吹程较大而易引起的底泥悬浮,而冬季受西北风影响时易悬浮区域位于太湖东南部。

海堤越浪的数值模拟

基于RANS方程和两方程湍流模型,采用有限体积法,将入射波波场作为人工的分布源项加入动量方程, 提出了适用于VOF方法的源造波-消波技术。通过对行波及驻波的计算,分别考察了数值波浪水槽前端及末端消波段的有效性。在本文建立的数值波浪水槽内对规则波在海堤上爬高和越浪过程进行了数值模拟,并将计算结果与现有实验结果进行了比较。验证计算结果表明,数值模拟结果较好地复演了海堤越浪过程。为了研究模型尺度对越浪量的影响,文中设计了一组满足重力相似但具有不同几何比尺的数值实验模型。系列数值实验结果表明,若按重力相似换算越浪量,计算结果与实验预报值间的偏差随模型比尺的增大和堤前波浪破碎强度的增强而增大,建议在进行越浪物理模型实验时需进一步考虑模型比尺对原型预报值的影响。

一种浅水波浪数值模型的应用研究

简述目前几种浅水波浪数值预报模式 ,介绍了国内外以能量平衡方程预报浅水波浪的若干模式 ,重点介绍了应用当今最新波浪研究成果发展起来的并经过若干理论及现场观测资料验证的 SWAN模型 ,详细论述了模型的特点及其适用性 ,其动谱能量平衡方程的数值离散格式及对能量源汇项的处理方法 ,利用 SWAN模型计算了在不同水深时流场对波浪传播的影响 ,并与线性波流理论计算结果进行比较 ;最后 ,将模型应用于海安湾的浅水波浪数值计算 ,模拟湾内波高及周期场分布 。

钱塘江河口围涂对杭州湾风暴潮影响数值模拟

应用二维水动力模式Mike21对钱塘江河口治江围涂对杭州湾风暴潮的影响进行了数值模拟。首先采用概化地形做了围涂对风暴潮影响的主要因素分析，然后采用实际地形计算极端工况和百年一遇工况条件下已有围涂前后风暴潮的变化，最后对今后规划围涂所造成的影响进行了预测。结果表明，围涂引起的平面边界改变是影响杭州湾风暴潮的主要因素，围涂引起的地形抬升的影响是次要因素；已有围涂使杭州湾极端风暴高潮位抬升1．85-0．09m，抬升幅度由湾顶向湾口递减；规划围涂后，杭州湾风暴高潮位总体抬升，抬升值最大的湾中部为0．25m。

求解二维浅水流动方程的Godunov格式

采用网格变换和Strang算子分裂 ,以准确Riemann解为基础 ,建立了求解非平底浅水流动方程的Godunov格式 ,用“水位方程法 (WaterLevelFormulation)”求Riemann解 ,结合中心差分和Riemann解离散底坡项 ,保证了计算格式的和谐性。经验证 ,方法健全、通用 。