三维数值波浪水池技术与应用

建立了用于波浪-结构物相互作用数值模拟的三维数值波浪水池.应用VOF方法对粘性流动的基本方程进行数值求解并描述其自由表面,水池计算域的一侧使用数值造波机条件产生斜入射波浪,其下游开边界联合使用辐射条件和局部强迫衰减,侧向边界使用周期性条件使斜向波浪透过.数值试验表明,所建立的三维数值波浪水池产生和传播波浪具有良好的重复性和稳定性,应用于海洋结构物波浪荷载的确定也是可靠的.

《三维破碎波波浪数学模型研究与应用》达到国际先进水平

2006年12月26日交通部科教司在天津主持召开了交通部应用基础项目《三维破碎波波浪数学模型研究与应用》成果鉴定会。鉴定专家委员会的鉴定意见认为：由交通部天津水运工程科学研究所完成的该项研究成果具有创新性，总体上达到国际先进水平。该项目主要研究成果和创新点为：（1）提出了三维破碎波浪与任意形状建筑物相互作用的基本理论，采用交错网格技术、两步映射法、部分单元法和曲面组合法等数值计算技术和方法，成功地建立了三维破碎波浪数学模型。（2）提出了二相流概念在波浪模拟中Heaviside函数的新形式。采用该方法计算的压力分布场满足理论分布，保证了在波浪运动模拟中能得到精确的压力值，避免数值震荡、确保计算结果的精确可靠，具有创新意义。（3）模型建立了在二相流概念下的小振幅波、斯托克斯波、椭圆余弦波、孤立波和线性不规则波的造波方法；并采用相应波浪理论进行了验证。采用水体在方箱中震荡和波浪与大直径圆筒作用的理论解及波浪越潜堤的试验结果分别对模型进行了验证，结果表明模型有很好的质量和能量守恒性；模拟的波浪与理论解相当吻合，该模型能够很好地反映波浪的反射、绕射和非线性变形等特性。（4）采用卷破波和崩破波与直立圆筒作用的两组物理模型试验对该模型破碎波情况进行验证，分析了破碎波与直立圆筒作用的压力分布和流场分布，数值模拟和物理模型的波高分布和压力分布基本一致。进一步证明了模型的科学性和合理性，并为工程应用奠定了可靠的基础。

基于naoe-FOAM-SJTU求解器构建三维数值波浪水池

利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器构建三维数值波浪水池.naoe-FOAM-SJTU求解器是基于开源程序库OpenFOAM开发的两相流求解器.它以Navier-Stokes方程为控制方程,采用VOF方法捕捉自由面.所构建的数值水池具有完整的造波系统、消波系统以及波高探测系统,可以实现不同类型波浪的模拟.对所构建的三维数值波浪水池的原理和过程进行介绍,对小幅线性波、Stokes二阶波、斜向波以及不规则波进行了数值模拟,并将数值结果与理论解进行了比较,结果吻合的很好,说明基于naoe-FOAM-SJTU求解器构建的三维数值波浪水池具有较好的精度,可以为海洋工程流体问题的数值模拟提供有效的波浪条件.

规则波中无人艇回收的水动力性能分析

[目的]小艇回收过程是典型的多体相互干扰的动力学问题,纵向滑道回收是常用的回收方式,小艇在大船尾流中快速运动冲向艉部捕捉装置时,受到大船的尾流影响,可能会出现倾覆的危险。[方法]采用粘性流数值波浪水池、重叠网格和六自由度运动等技术,以DTMB 5415为母船,模拟Fridsma型无人滑行艇(以下简称无人艇)快速接近母船过程中的干扰运动。计算分析无人艇在波浪中的运动特性,在此基础上开展波浪中小艇在大船尾流中的运动仿真。[结果]计算结果与试验结果的比较表明计算方法可靠。仿真计算结果表明小艇受大船尾流的影响较为明显。[结论]当小艇运动方向不在大船尾流正中心时,小艇的纵倾和横摇会受到显著影响,最终导致倾覆现象的发生。

海啸作用下漂浮物行为及对陆上建筑作用力研究

根据实际物理实验,采用ALE(任意拉格朗日欧拉)有限元方法在三维数值波浪水池中模拟了海啸的产生、海啸波的传播,与漂浮物作用以及漂浮物与陆上建筑的撞击。通过将海啸上岸后的波高、与漂浮物的作用力以及漂浮物的速度等数值计算结果与物理实验结果进行对比,验证了ALE流固耦合有限元方法在研究海啸作用下漂浮物行为方面的可行性。在此基础上进一步分析漂浮物在海啸作用下对陆上建筑的作用力。通过计算发现,漂浮物的质量、撞击速度对作用力起决定性作用,而被撞建筑的刚度对作用力的影响并不大。