基于推板造波方法的数值波浪水槽性能研究

对数值波浪水槽的研究已成为水动力研究领域重要方向之一,文章基于推板造波方法结合动力源消波方法建立数值水槽,引入误差指标对模拟波周期、波长及波高的误差及稳定性波做出定量评价,并得出其与无因次参数d/g T2和H/g T2的相关规律,为选用此类水槽模拟造波性能的标准尺度提供参考。

推板式造波机的机械结构设计

设计推板式造波机的目的是在实验室的水池中模拟自然界中的波浪,为环境恶劣的海洋工程建设提供深入分析和研究的数据,从而进行可靠的理论推测。依据造波要求设计了造波机的整体机械结构,该机以滚珠丝杠为传动装置,运行平稳,可靠性高;并对主要部件推波板进行了校核及有限元分析,最终设计出了完整的推板式造波机。

基于EtherCAT总线的推板式造波机控制系统

该文构建了基于EtherCAT总线的推板式造波机控制系统总体结构,并详细论述了该系统的硬件结构和软件流程。该系统由1台中央控制主机、1台运动控制器和48套执行机构组成。中央控制主机和运动控制器之间的数据传输是基于CSocket类开发的网络通信软件实现,而控制命令的传输是基于ADS通信来实现。通过TwinCAT的电子凸轮耦合技术,同时借助虚拟轴的概念,实现48台推波板的高精度同步。

孤立波数值造波研究

基于开源平台OpenFOAM研究开发一种可模拟推板运动的动边界条件,实现推板造波数值模拟.以孤立波为研究对象,基于Goring孤立波造波理论以及Fenton九阶孤立波解,确定两种推板运动形式,并据此对孤立波造波和传播过程进行模拟.数值模拟结果表明,基于Goring方法所得到的孤立波后方水面凹陷现象较基于Fenton方法所得到的孤立波后方水面凹陷现象更为显著,且波高衰减更快.将数值模拟结果与水槽试验结果进行比较,对两者之间的差别进行分析和讨论.

推板式造波机的机械结构设计

推板式造波机的主要原理是,通过一定的机械结构设计,使造波板沿着直线导轨进行周而复始的运动,目的在于推动水体变化,产生波浪。对推板式造波机的的造波机工作原理、总体机械结构设计、推波板的设计进行了介绍,并进行了推波板的最大行程计算、推波板的最大运动速度计算、造波板承受的最大负载力计算。对推板式造波机最大功率计算等参数的确认过程展开分析,以供参考。

黏性数值波浪水槽动边界造波技术研究

模仿实验室推板造波技术,在黏性数值波浪水槽中构建了造波动边界,实现了一阶线性波、二阶斯托克斯波和孤立波的数值模拟,数值波形与理论波形吻合良好,验证了这一方法的有效性.将海绵层消浪技术与辐射边界条件结合吸收透射波能,有效减小了水槽的二次反射效应.不同水深二阶斯托克斯波的模拟结果表明,斯托克斯波理论不适用于浅水情况.提出基于四阶Runge-Kutta法直接求取浅水孤立波速度时程的思路,较传统算法更为便捷.

基于光滑粒子方法的推板式波浪水槽实验研究

波浪数值水槽是波浪研究方面的一个十分重要的实验装置。目前针对造波水槽所展开的数值或实验研究,多将造波系统的设定参数作为波浪的参数,而未考虑设定参数与实际参数之间的误差。利用推板造波的实验装置进行造波,并借助视频拍摄来捕捉造波板的运动,而波浪参数则由波高仪的数据采集来得到。推板造波的过程,则用光滑粒子方法来进行数值模拟。造波过程中,造波板的运动同样采用实测的参数,并计算了不同时刻的波形曲线和水面高度随时间的变化。光滑粒子的模拟结果与实验结果比,吻合的非常好。

小型推板式波浪水槽的性能测试分析

波浪水槽是研究波浪运动及其与结构物相互作用问题的试验设备,其造波的重复性、稳定性和沿程衰减程度会影响试验方案设计和所采用的试验结果分析方法.文中结合武汉理工大学交通学院流体力学试验室新改建的小型推板式波浪水槽,展开了水槽造波性能测试分析,主要涉及规则波的波高和周期的重复性、稳定性,以及波高沿程衰减程度.结果表明,水槽造波的波高和波周期的重复性与稳定性误差,以及单位距离波高沿程衰减程度均较小.

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。

密排桩式堤波浪透射系数数值研究

采用VOF(流体体积函数)方法进行液面捕捉,通过推板造波法模拟波浪产生,建立数值波浪水槽,研究密排桩式堤波浪透射系数与各影响因素关系,分析桩径、桩间净距、透空率、相对干舷高度、波陡等因素对波浪透射系数的影响,并结合数值模拟和物理模型试验结果建立密排桩式堤波浪透射系数计算公式。结果表明,密排桩式堤波浪透射系数随桩径增加先快速后缓慢减小,随桩间净距和透空率增加先快速后缓慢增大;干舷淹没情况下,透射系数随淹没程度的增大而增大并趋于平稳,非淹没状态下,透射系数随干舷距离水面高差的增大先增后趋稳;波陡对波浪透射系数没有显著影响。

非线性波消波及波场分布研究

本文基于雷诺平均N-S方程,并结合RNG k-e方程建立了粘性数值波浪水槽,对不同波陡、不同相对水深、不同相对波高的非线性规则波的阻尼消波问题和波场分布进行研究。文中提出了两种描述消波区内部阻尼变化的阻尼函数,分别适用于小波陡情形和高波陡情形。研究结果表明,小波陡组消波区可设为一个波长,阻尼系数取10~4～10~5即可满足消波要求,计算结果与实验结果及造波理论吻合良好;高波陡组消波区可设为两个波长,阻尼系数取10~4～10~5亦可满足消波要求,计算结果与实验结果吻合良好。此外,当波陡较小时,波场内反射情况的小幅改变即可对整个波场造成影响,特别是当水深较浅时这种影响极为明显,需谨慎考虑。当波陡较大时,水波能量较高,整个波场沿水波传播方向可观测到明显的衰减现象,在具体试验中需进行考虑。

波浪中非流线型浮体运动的动网格分析研究

使用Fluent软件,利用推板造波法和阻尼消波法建立数值波浪水池,用VOF方法追踪自由表面,采用RNG k-ε两方程湍流模型,基于动网格技术和用户自定义函数,提出一种模拟波浪中非流线型浮体运动的数值方法。应用该方法模拟波浪中二维非流线型浮体的大幅运动,将得到的运动响应曲线与实验值比较,分析误差产生原因,证明该方法的准确性,为浮力超常建造过程中的精度控制提供依据。

波浪中气泡运动的数值模拟

通过推板造波方法,应用FLUENT动网格技术(Dynamic Mesh)及UDF(User-defined function)建立数值波浪,从而构建数值水槽。对建立的数值波浪与气泡运动方程耦合求解,分析气泡在波浪中的变形与运动。结果表明,波浪中气泡相对静水中更容易保持稳定的球形,且不易发生聚合。这将为舰船尾流中气泡运动研究提供有价值的参考。

孤立波的实验室产生及其理论的有效性

本文提出了在实验室的波浪水槽中产生孤立波的方法,进行了孤立波的试验研究,并通过波剖面、波速及水质点水平速度的比较分析了三种常用孤立波理论的有效性。

离岸式振荡水柱气室参数CFD优化设计

采用计算流体动力学分析(CFD)技术研究离岸式振荡水柱波能转换装置的设计参数优化问题。首先,借助FLUENT软件用户自定义函数功能(UDF)并运用动边界造波及多孔介质消波方法建立基于线性波浪理论的二维数值波浪水槽,然后,将水槽的分析方法应用于振荡水柱气室仿真研究。结果表明:离岸式振荡水柱气室在发生共振时转换效率最高,气室内液面升降幅度随着波能转换装置的前墙入水深度、厚度以及气室宽度的减小而产生较明显的增大;相对于前墙尺寸,气室宽度对波能转换装置的能量转换功率影响较大。

FLNG拖曳晃荡试验研究

在波浪等外载荷的影响下,FLNG液舱内的LNG(液化天然气)在运输过程中会产生剧烈的晃荡作用,对液舱舱壁产生冲击,这对船体及液舱结构的设计以及船舶拖航的稳定性提出了挑战。液舱晃荡与船舶运动的耦合作用是当前的研究热点,研究过程中模型试验的方法得到越来越广泛的应用。基于推板造波理论,设计并制作出一套单向推板造波系统,并按照1/300的缩尺比设计制作出FLNG及液舱模型,进行了模型试验。通过试验研究了载液率对液舱晃荡剧烈程度的影响效果,对匀速拖航过程中影响拖缆张力的部分因素进行了对比研究。研究结果可为后续相关研究工作提供基础。

海啸冲击下沿海桥梁受力分析

文章基于推板造波理论,以孤立波爬坡破碎后的冲击模拟海啸对沿海桥梁的作用力,基于N-S方程和RNGK-e湍流模型在Fluent中建立三维数值模型,验证了数值水槽造波及波浪力计算的准确性,进而分析了在不同淹没系数及斜坡倾斜度下,T梁所受的作用力。结果表明:斜坡倾斜度对T梁海啸冲击的水平力影响较大,淹没系数对T梁海啸冲击的竖向力影响较大。

转阀控制式脉冲波生成方法

脉冲波浪的模拟产生及其对海洋工程结构冲击的研究已成为研究的热点。为更真实地模拟高能量的冲击波浪,提出一种转阀控制式脉冲波生成方法,利用Matlab/Simulink工具进行新方法数学模型的数值分析,研制出转阀控制式推板造波试验装置,并进行试验验证。研究结果表明:转阀控制式推板造波系统能够实现波幅在确定推板频率下进一步提高,且易于叠加生成脉冲波浪;试验水槽中的水深对生成波浪的波幅有一定的影响,水深越深,生成脉冲波波幅也越高;脉冲波波幅的大小取决于系统中的阀口轴向开度和供油压力的控制,且阀口轴向开度和供油压力设定越大,脉冲波波幅越高。新的造波方法对指导大功率电液控制式造波装置实现更大能量脉冲波浪具有重要的工程价值。

用MPS方法数值分析孤立波与平板相互作用问题

表面孤立波与海洋结构物的相互作用常伴随有砰击、上浪等现象,是船舶与海洋工程领域需要研究的重要问题之一。该文采用基于无网格半隐式移动粒子MPS法开发的MLParticle-SJTU求解器,对孤立波与平板结构相互作用问题进行数值计算分析研究。模拟了二维孤立波对平板的冲击作用过程,得到的平板受力与实验结果吻合良好,验证了MLParticle-SJTU求解器在处理此类问题上的可行性。通过对孤立波与平板相互作用过程的三维模拟,观察到了有别于二维空间下的波浪在平板上表面演化过程,即呈现U型演化过程,说明对此类问题进行三维数值模拟的必要性。

一种高保真超长黏性数值波浪水槽

为实现波浪的超长距离传播和调制演变过程,该文提出一种高保真基于黏性流理论的数值波浪水槽。分别采用包含单元均值和点值(VPM, volume-average and point-value method)的有限体积法求解纳维斯托克斯方程及具有二次曲面性质和高斯积分的双曲正切函数(THINC/QQ, the tangent of hyperbola for interface capturing with quadratic surface representation and Gaussian quadrature)方法来重构自由面,建立以OpenFOAM底层函数库为基础的VPM-THINC/QQ模型。依据推板造波理论,在VPM-THINC/QQ模型中实现了波浪产生功能。在300 m的超长水槽中对深水波列进行模拟,得到波群的长时间非线性演化过程,并与文献结果进行了对比,结果表明:所开发的高精度数值波浪水槽可有效模拟深水波列的长时间传播和演变过程。