基于σ坐标变换和水位函数法的立面二维水动力学模型

根据近年来计算水力学在计算方法上的最新成果,提出了一种用于计算水流运动沿水深方向变化动水压力条件下的立面二维水动力学模型。模型中,采用基于Boussinesq假定的不可压缩牛顿流体的Navier-stokes方程作为控制方程,并对其做σ坐标变换,简化了计算区域。数值方法上,通过有限差分法离散控制方程,采用矩形交错网格,利用水位函数法求解自由水面流动,通过分步解法在交错网格上求解速度项和动水压力项。用该模型模拟了微幅波运动,并对模型计算结果与微幅波运动解析解进行比较,结果表明该立面二维水动力学模型具有良好的精度。

基于σ坐标和IBM的大型圆柱波浪力数值模拟

为探讨波浪效应下大型圆柱所受的波浪力,以多层σ坐标变换模型为基础,模拟随时间变化的自由表面,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型.对三维波浪与大型圆柱波浪力进行了数值模拟,用浸没边界法(IBM)处理不规则结构物表面.结果表明:圆柱波浪力、力矩的数值计算结果与试验结果和理论解吻合,水平波浪力和力矩随波数先增大然后减小,竖向波浪力随波数增大而减小,建立的三维数学模型能够很好地模拟结构物所受的波浪力及力矩.

垂向二维非恒定流及悬浮物分布模型研究

采用σ坐标变换拟合复杂边界、VOF方法追踪自由水面变化和SIMPLE算法求解控制方程等建立垂向二维非恒定水流及悬浮物分布数学模型。该模型适用于变量在横向上分布基本均匀的水流流动特性及悬浮物扩散迁移过程的模拟,与刚盖假定或静水压强假定等条件下建立的垂向二维数学模型相比更符合实际情况。分别对概化水库水流结构的沿程变化、明渠均匀流及带有槽沟的明渠非均匀流及悬浮物浓度分布进行了模拟,计算结果与实测值符合良好。模型的应用可为河道或水库的洪水调度、水污染控制、取水工程优化等提供参考。

河口潮流垂向二维有限元数学模型

б坐标变换在河口潮流数学模型中得到了广泛的应用，本文探讨了它在差分离散 范畴内的适用性，并认为：在变换后的规则网格上，控制方程增添了若干个非线性项，使得 模型更加复杂、计算工作量增加、增大了误差的可能性。为了建立简单、快捷和有效的河 口潮流垂向二维数学模型，本文应用变网格有限元方法（不引入б坐标变换，采用任意四 边形等参单元）离散横向积分的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程。

温州港深水航道三维潮流数值模拟

根据实测资料对温州港大小门岛港区深水航道海区的三维潮流特征进行了分析。针对工程海区岸线不规则、地形复杂、岛屿众多、存在动边界等特点,使用垂向σ坐标变换技术,建立了基于不规则三角形网格的三维潮流数学模型,提出了三角形网格三维潮流数学模型处理动边界的方法。使用现场资料对模型进行了验证,潮位、不同水层的流速和流向均与实测资料吻合良好。在模型验证的基础上,对温州港深水航道工程实施后的三维流场进行了模拟,对表、中、底层流速流向的变化进行了分析,对航道表层最大横流进行了计算。建立的三维模型非常适合于复杂河口海岸地区的三维潮流场模拟。

基于混合有限分析法的三维浅海湍流模型及验证

文章以具有自由表面的三维非线性Navier-Stokes方程组为基本控制方程,垂向采用σ坐标变换后得到三维浅海湍流数学模型。数值模拟求解方法采用具有自动迎风、精度高及稳定性好的混合有限分析法求解,最后,以渤海湾潮流模拟算例验证了文中模型及其混合有限分析解法模拟潮流的正确性和应用于工程实际问题的适用性。

粘性-地形修正项对潮汐数值模拟影响的研究

目前近海海洋模型大多从近海地形变化剧烈和细化浅水分层两个方面综合考虑,垂向坐标通常采用σ坐标变换,并且一般情况下均忽略了在坐标转换过程中出现的粘性-地形项。以POM海洋数值模式(Princeton OceanModel)为基础,在对渤、黄、东海M_2分潮潮波的模拟中,具体分析了ε_u,ε_r,ε_s粘性-地形修正项对东中国海M_2分潮波系统数值模拟的影响。研究发现,加入粘性地形修正项后,可以增加模型中的耗散作用,使黄海西部M_2分潮模拟振幅减小约1～2 cm,渤海海区M_2分潮模拟振幅减小约4～5cm,在这两个区域潮汐振幅的减小会使得模拟结果偏离于实际观测结果,而在济州岛、长江口区域的模拟潮汐振幅约减小1～3cm,则会使模拟值更加接近于实际观测结果。从模型与90个验潮站的对比结果来看,粘性-地形修正项的作用范围相对较小,其整体影响并不很明显,但在某些特殊区域中该项对模型的输出结果有较为明显的影响。

潜堤上波浪分裂现象的数值分析

为研究潜堤附近水波变形现象,建立了一个模拟该现象的数值方法。基于势流理论的基本方程,其中入射波浪的生成基于域内源造波方法,无反射边界采用海绵层消波加辐射条件的处理方法。垂向采用σ坐标变换,可保证自由表面和底面边界的"精确"满足,同时便于有限差分法的应用。使用该模型对二个已有的物理模型实验进行计算,比较了长波和短波越过潜堤时波浪变形特性的异同。计算所得潜堤前后不同位置处的波面与实验结果吻合较好。结果表明:该模型能很好地模拟坡度不同的潜堤前坡上高次谐波的产生和堤后波浪分裂现象,可用于求解二维强非线性势波问题。

超大型结构物受波浪力作用的数值模拟

为了计算波浪效应下超大型结构物所受的波浪力,该文运用σ坐标变换来追踪随时间变化的自由液面,添加了浸没边界法(IBM)来处理不规则结构物表面,建立了基于大涡模拟(LES)方法的三维数值模型。为验证该数值模型的正确定,运用该模型来模拟规则波作用下大直径垂直圆柱的绕射问题,圆柱周围的波浪爬高数值解与解析解吻合良好。运用该三维数值模型,模拟了波浪与南京长江三桥南塔钢套箱相互作用的问题,数值计算出的结构物所受的波浪力与试验数据吻合良好,表明该数值模型能够很好地模拟工程中三维波浪与超大型结构物相互作用的问题。