三维数值波流水槽的构建及验证

文章基于Reynolds平均的Navier-Stokes(RANS)方程,建立波流联合作用的三维数值水槽,在上游边界采用速度入口的方式造波和造流,在下游采用动量源项的方法进行消波,并对三维数值水槽的瞬时波面和速度分布进行了考察。结果表明:采用速度入口造波流和明渠出口出流的方法,数值水槽能够保证波浪传播的完整性和规则性,整个水槽的流量守恒,液面不会出现抬升的现象。源项消波的方法可以快速使得波面变得平静,上游传递过来的波流场会迅速过渡为均匀流的形态,消除了波浪反射对上游波流场的影响。还对比了不同位置处沿水深方向的速度时均分布,整体来看在中上游位置处速度分布与纯流及波流实验数据吻合较好,而在下游靠近消波段的位置,由于消波作用影响,导致上部流速减小。

大型波流水槽整流区间长度的优化研究

本文利用OpenFOAM程序基于物理水槽结构设计建立了波浪-水流水槽模型。由于造流出口位于造波推板正前方的水槽底部,在造流出口的下游存在一个波浪-水流相互作用的整流区间,直到波浪-水流场趋于稳定。本文的主要目的是研究各主要影响参数对于整流区间长度的影响,通过结构参数的优化获得最小整流区间长度,以使有效试验段达到最大化。计算分析了波浪-水流场在水槽中各个位置处的时间平均水平速度的垂向分布,并将平均速度与试验段稳定值的偏差为10%的位置点作为整流区间与试验段的分界点。基于数值模拟结果,确定了最优的水流出口角度、水流出口宽度及其与造波推板的距离,同时研究了工作水深、波浪周期和波高以及水流速度对于整流区间长度的影响。

圆柱镂空型人工鱼礁波流水动力特性数值模拟

研究人工鱼礁在波流作用下的水动力特性,对于人工鱼礁的设计具有重要的意义。基于有限体积法,采用边界造波,利用自由表面捕捉法(VOF)捕捉自由水面,建立了可以分别模拟纯波、均匀流以及波流共同作用下人工鱼礁水动力特性的多功能三维数值波流水槽。基于该数值模型对不同波流工况作用下圆柱型镂空人工鱼礁水动力特性进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行比较。结果显示,人工鱼礁数值模拟受力与模型试验结果吻合良好,人工鱼礁所受的波流力最大值随着波高、周期和水流流速的增大而增大;人工鱼礁处于波流场波峰正下方时,背涡流的面积随着水流流速的增大而增大,随着波高、周期增大而减小。对单独均匀流作用、单独波浪作用和波流联合作用下人工鱼礁的水动力特性对比研究表明,人工鱼礁所受的最大波流力比最大波浪力、水流力都大,波流联合作用下的流场效应最显著,在礁体的后部形成了较大规模的漩涡结构。

海洋波流环境的拉格朗日数值模拟

论文基于SPH方法,建立了模拟海洋波流环境的拉格朗日型水动力数学模型.波浪场由计算域端部的推 板造波机生成,并由另一端的阻尼层吸收.入流与出流边界设置在计算域底部,通过对入出流区域内流体旅 加指定速度和压力,并建立两区域间的流体循环关系,使计算域内形成均匀流场.另外,在数值模拟初期阶 段引入了入流缓冲处理和自由液面“刚盖”处理方法,不仅提升了数值计算的稳定性,还极大地缩短了波流场 初期不稳定时间.最后,采用建立的数学模型对已有文献中的波流耦合试验进行了数值重现,结果表明所 建立的数学模型可以准确地模拟波浪、均匀水流以及两者间的相互作用,波流同向时,流场作用导致波陡降 低,波浪作用改变流场速度分布.

波流联合作用下承台结构受力研究

对于跨海大桥,承台在实际工程中一般为大尺度结构物。文章根据绕射理论计算了圆形承台在不同吃水深度的工况下所受到的波浪力和波流力,同时与Flunt数值模拟得到的结果进行对比。结果表明:当流速很小时,采用绕射理论线性叠加波浪力和水流力是合理的,从工程角度也是偏安全的。但是当流速较大时,波浪与海流已经表现为强耦合,当U>3um时(U为海流流速,um为静水状态下波浪最大水质点速度),将理论线性叠加的结果乘以1.15~1.2倍即可用于工程计算。

三维波流数值水槽的构建方法

为了模拟波浪与水流的联合作用,基于Reynolds平均的Navier-Stokes方法,构建了一个三维波流数值水槽。使用该模型对不同出流边界条件进行了对比分析。结果表明:引入合理的入流和出流边界条件,可以保证在计算稳定后,水槽平均水面基本保持不变。垂向时均流速分布的计算结果与实验数据吻合良好。这表明:该波流数值水槽具有较好的波流特性,可用于计算波浪与水流、以及与三维固定结构之间相互作用。

三维波流耦合水槽模拟模型

水中结构物通常会受到波浪和水流的联合作用,为了得到作用在结构上的波流荷载,该文基于Flow-3D软件建立了三维波流水槽的模拟模型。为了准确模拟波浪和水流的相互作用,避免将造波边界和水流边界同时叠加在入口边界处,采用质量源造波法来实现内造波。利用Flow-3D的二次开发功能在水槽两端设置海绵层消波区,并结合Sommerfeld辐射边界条件来实现水槽的通流消波。对波浪的传播、波流相互作用试验的流场以及波流和柱体结构相互作用试验的流场进行数值模拟,结果表明:所建立的三维波流水槽模型可以准确地模拟波浪和水流的相互作用以及波流对结构的联合作用,并有效地进行消波,避免了二次反射,可用于波浪和水流联合作用下水中结构物波流荷载的研究。

线性波与海流共同作用下的群桩受力研究

文章基于Morison方程和线性波理论,通过ANSYS ICEM建立数值模型,导入到Fluent中进行计算,分析了波浪与不同流速水流共存时,作用于单桩与某群桩桩柱上的波流阻力。结果表明:群桩结构中,在波流联合作用下,当流速较小时,由于各组成桩之间的相互作用和流场中旋涡的影响,群桩桩柱所受到的阻力小于单桩所受到的阻力;但随着流速增大,群桩组成桩所受到的波流力又大于单桩情况。可供实际工程应用。

内孤立波与有航速潜体相互作用数值模拟

基于两层流体中内孤立波的KdV-mKdV理论解,采用速度入口和开管道方法进行内孤立波数值造波与消波,建立了同时具有造波、造流和消波功能的数值波流水槽。利用所建立的数值波流水槽,对内孤立波与有航速潜体相互作用问题进行了数值模拟,计算分析了受力特性。数值结果表明,内孤立波造波结果理想,消波效果显著,在内孤立波流场中有航速潜体将会受到突发性冲击载荷的作用。研究表明,利用所述方法来研究内孤立波与有航速潜体的相互作用是一条有效的途径。