不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波

利用MAC（marker and cell）法直接数值求解连续方程和N-S方程.为模拟不规则波长时段连续造波及消除波浪遇结构物后形成的二次反射,采用了源造波法.对开敞边界,采用了海绵阻尼消波和Sommerfeld条件相结合的处理方式.

闭环控制在波浪数值水槽中的应用

为了解决波浪数值水槽控制端与试验区波浪数据不一致的问题,需建立波浪数据的"控制—采集—反馈—再控制"闭环控制系统。采用FLUENT的UDF编程功能,实时采集试验区波浪数据作为造波控制系统的反馈信号,通过对试验区波浪数据进行谱分析,并与目标谱进行比较,进而修改控制系统的传递函数,实现了波浪数值水槽的闭环控制。大量的不规则造波实例表明,该闭环控制方法不仅可以修正波浪控制端与试验区的误差,且具有较好的稳定性。闭环控制的实现显著提高了系统的造波质量与品质,具有较好的应用前景。

三维数值波浪水槽及其数值模拟验证

波浪水槽能够模拟波浪的产生、传播以及与结构物的相互作用,提供直观、可靠的数据支持。随着计算机技术和数值方法的快速发展,三维数值波浪水槽逐渐成为港口工程领域的研究热点。利用数值模拟软件FLUENT生成三维数值波浪水槽,并结合ANSYS-FSI模块建立三维有限元与有限体积元耦合模型,可以精确模拟波浪作用于斜坡堤等结构上的整个过程。为验证数值模型的准确性,以在波浪作用下斜坡堤顶胸墙的稳定性为例,比较数值模型与理论公式的计算结果。结果表明,数值模型与理论公式的计算结果基本一致,此三维数值波浪水槽模型可靠。在实际工程应用中,可以利用此数值波浪水槽进行方案比选,提升工作效率,同时与物理模型试验结合,共同为港口工程的设计、施工提供有力支持。

基于二阶规则波模拟的数值波浪水槽优化

基于CFD开源软件包OpenFOAM,建立了基于Navier-Stokes方程的二维数值波浪水槽模型。模型采用体积函数(VOF)法捕捉自由水面,采用k-ω SST紊流模型封闭控制方程。针对不同波陡(i=0.01~0.06)的Stokes二阶波,分别采用速度边界法或推板造波法进行造波,采用阻尼消波法、辐射边界法或松弛区域法进行消波;通过对不同造波和消波方法组合方式计算结果的比较,分析了数值波浪水槽在不同波陡工况下的消波效果和造波效果。模拟结果表明:对于小波陡(i=0.01~0.03)工况,采用速度边界造波和松弛区域法消波的组合方式具有较高的模拟精度;对于大波陡(i=0.04~0.06)工况,采用推板造波法造波和基于平方形式阻尼函数的阻尼消波法消波的组合方式具有较高的模拟精度。

砾石单元法与SPH耦合模型在数值波浪水槽中的应用研究

为研究以流体粒子描述波浪运动,以固体单元描述砾石运动的两相介质大变形运动,在港口、海岸工程科学研究中具有重要意义。本文提出砾石单元法(GEM),介绍了光滑粒子动力学方法(SPH)和GEM的基本原理,阐述了GEM与离散单元法(DEM)的异同之处,说明了采用SPH方法与GEM构建波浪砾石耦合运动数学模型的方法和过程。应用SPH方法建立数值波浪水槽,用GEM模拟波浪作用下堆积砾石的滚落、坍塌变形,构建了SPH方法与GEM耦合数学模型。模拟了水槽造波和波浪生成过程和波浪作用下砾石的滚落、坍塌变形,并与物理模型试验成果进行了比较,结果基本吻合。本文提出的GEM法具有模拟单相堆积砾石运动和堆积砾石与流体粒子耦合多相介质运动的功能,是对DEM法的补充和改善。本文提出的堆积力学球概念和拟序排列求解方法是砾石单元法的重要组成部分。

基于动量源方法的黏性流数值波浪水槽

以N-S方程为控制方程,采用VOF方法追踪自由面,通过在动量方程中添加附加源项的方法,发展了黏性流数值造波和消波的方法。基于Fluent求解器,建立了同时具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽。进行了数值模拟分析,表明了数值造波和消波的有效性,并成功地数值模拟了在黏性流理论框架中水波与两个垂直刚性薄板相互作用产生的驻波等现象。

基于VOF方法的数值波浪水槽以及造波、消波方法研究

该文基于不可压缩黏性流体的N-S方程和VOF方法,利用CFD商业软件FLUENT及其二次开发功能,发展和提出了动边界造波、多孔介质消波等多种数值方法,建立了可有效模拟弱非线性波的数值波浪水槽。同时对现有的几种造波-消波方法进行了详细的分析,综合比较了不同方法的优劣性,指出了本文提出的多孔介质消波法可更有效的吸收波能,给出了造波-消波的最优配置。

不同湍流模型在波浪水槽数值模拟中的应用与比较

为了研究不同湍流模型在建立数值水槽中的适用性,选用计算流体力学软件,采用S-A、标准的k-ε及RNG k-ε等8种不同的湍流模型对水槽中的波浪进行了数值模拟,通过对比得到:RNG k-ε模型不仅具有较高的精度,而且又节省计算资源,较其它模型更具优势。

数值波浪水槽的建立与验证

由于Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程是从动量守恒定律出发，对不可压缩粘性流体不引入地形限制，不考虑水深影响，是真正意义上从流体的运动规律出发的方程，因此本文以Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程为控制方程，用有限元法对它进行离散，建立了它的有限元特征方程，通过对边界条件的处理建立了适用广泛的二维数值波浪水槽，并就数值模型的稳定性、边界条件的效果作了探讨。特别对于直墙前立波波面形状与理论解进行了比较，有很好的一致性。

基于数值波浪水槽的港航专业实验教学改革与实践

采用MIKE21软件构建数值波浪水槽,其与物理波浪水槽相结合应用于港航专业的实验教学。实践证明,两种方式优势互补,为学生提供了更生动多元的实验平台,打破了时间空间壁垒,充分调动了学生创新探索的积极性和自主学习的热情,为培养港航专业卓越工程师人才起到了积极推动的作用。

数值波浪水槽的造波及消波方法

为了提高海洋工程相关问题的研究效率,并为物理造波机的设计提供参考,应用FLUENT软件模拟了数值波浪水槽的造波及消波过程.在模拟中,利用用户自定义函数UDF设置摇板造波机的运动条件,利用动网格技术实现流体运动;通过设置多孔介质区域和添加粘性阻力动量源项的方法消除水槽末端壁面对波浪的反射;采用VOF方法模拟自由表面位置.模拟结果表明:摇板式造波法可以在数值水槽中制造出稳定的线性波,其周期误差较小,可以满足模拟实验的要求;多孔介质加粘性阻力动量源项的消波方法效果较好,基本可以消除水槽末端壁面反射波的影响.

一个二维数值波浪水槽的改进

对Drimer,Agnon及Segre研发的数值波浪水槽(简称DAS),首先通过修正DAS中某些积分计算的错误,建立了第一个修正模型(MDAS1),使得模型更加准确稳定。其次,将DAS模型自由表面线性元近似替换为更为合理准确的三阶元近似,建立了第二个修正模型(MDAS2),使得模型计算的波面更合理可靠。平底水槽中波群的生成及传播算例表明:与DAS结果相比,MDAS1对波面没有显著影响,而采用三阶元的MDAS2对波面有显著影响。与Hansen和Svendsen的实测资料相比较证实了两个修正模型的有效性。

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。

改进的二维数值波浪水槽在波浪破碎中的应用

Song和Banner(2002,简称SB02)利用二维数值波浪水槽(Drimer和Agnon开发,并被Segre改进,简称DAS)研究了深水及中等水深下波群破碎,并依据波群内部能量调制和演变特性提出一个新的波浪破碎阈值.本文利用两个DAS改进模型对SB02的波浪破碎结果进行检验和比较,并研究底面斜坡坡度对SB02破碎判据的影响,其中第一个改进模型(简称MDAS1)修正了DAS中某些积分的计算错误,第二个改进模型(简称MDAS2)在自由表面上用三阶元取代原来的线性元.研究表明:MDAS1和DAS的结果非常一致;而MDAS2和MDAS1相比,波浪临界破碎时的造波板振幅、破碎时刻和局部能量极大值的最大平均变化率δmax都会发生变化,但MDAS2仍然符合SB02提出的破碎阈值.由MDAS1模拟中等水深下波群在坡度为1∶500、1∶300、1∶150和1∶100斜坡上的破碎结果表明:随着斜坡变陡,波群的局部能量极大值μ增大,δmax在临界非破碎情况下微弱变小,在临界破碎情况下急剧增大,SB02提出的破碎阈值在中等水深下坡度小于1∶100的斜坡上仍然有效.

基于FLUENT的垂向二维数值波浪水槽的造波效果

建立精准的数值波浪水槽需要选取合适的造波方法、波浪方程和网格尺寸。利用FLUENT流体力学模型,采用源项法、推板法、速度边界法3种造波方法,分别建立不同网格尺寸和波陡条件下的数值波浪水槽。结合相应的波浪理论,比较采用各造波法的数值一阶线性波和二阶Stokes波、三阶Stokes波效果,得出数值波传播特点、适宜网格尺度及波陡对数值波效果影响。结果表明,源项造波法造波的波高沿水槽衰减最快,对网格尺寸变化最敏感;推板造波法数值造波效果最好;速度边界造波法计算效率最高,数值波高沿水槽衰减速度最小;在数值水槽的波浪传播有非线性作用影响,导致即使造波是线性波,传播到一定距离后,波面也有非线性变形。

无限水深内完全非线性数值波浪水槽建立

基于无旋、不可压的势流理论,利用高阶边界元法建立了一种可应用于无限水深的无粘三维完全非线性数值波浪水槽.研究中,自由水面条件为完全非线性边界条件,进而可以模拟任意强的非线性波浪.将镜像格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,以至于两水槽侧壁可以排除于计算域外.为了产生相应的入射波和吸收出流波浪,一个由点源组成的造波装置被布置在计算域内,同时在出流边界布置人工阻尼层来吸收出流波浪.线性的和完全非线性数值实验验证了所建立的数值模型可以用来产生无限水深的任何指定波浪,计算结果与解析解吻合得很好,且在出流边界没有反射.

无反射造波数值波浪水槽

本文应用VOF方法建立了二维数值波浪水槽模型。基于线性造波机理论在水槽左端设置了可吸收式造波机数值边界条件。即造波板的运动除了产生行进波外,同时还产生一个抵消反射波的局部波动。水槽右端除了通常的可滑移与无滑移直墙边界条件外,依据线性辐射条件建立了开边界条件。通过水槽右端为直墙时的全反射情形,比较了可吸收造波机与普通造波机的速度变化与波面变化。文中在H_0/d=0.1～0.3,d/L=0.124～0.219的范围内对数值波浪水槽的波浪特性进行了标定,给出了波高及波压力峰值沿水槽的分布,波面与波压力的历时曲线及不同时刻数值波浪水槽的流场。计算结果表明无反射数值波浪水槽工作特性良好,能够有效地消除造波板的二次反射,在波浪水槽内得到稳定的、重复性很好的波动过程。

基于光滑质点流体动力学方法数值波浪水槽研究

基于光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法建立二维数值波浪水槽,利用推波板造波生成孤立波和不规则波,模拟结果跟实验值及解析解做了对比分析,结果令人满意。SPH数值水槽中生成的波浪具有明显的非线性,波浪能量沿程有所衰减,与物理水槽结果吻合良好。

不完全立波的二维数值波浪水槽模拟

利用二维数值波浪水槽研究波浪在防波堤前的运动状态 .模型选用Navier -Stokes方程作为基本方程 ,以有限元法对基本方程进行离散 .以直立堤前完全立波和越浪条件的不完全立波、斜坡堤前的不完全立波等典型情况的模拟为基础 ,组合这些典型情况模拟削角堤前不完全立波运动 ,探讨其堤前波面、波节点及波腹点位置、波压力等特性变化 .

数值波浪水槽构建与二阶Stokes波仿真

近年来,数值波浪水槽在海洋工程研究中发挥着越来越为重要的作用,成为了水波动力学研究的焦点之一。为此,基于Navier-Stokes(N-S)方程组,首先完成了二维数值波浪水槽的构建。对于N-S方程,采用FVM(Finite Volume Method)法进行离散求解;在入口边界处,模拟活塞推板运动产生了入射波;同时,利用VOF(Volume of Fluid)法对波浪自由面进行了捕捉;在数值波浪水槽尾部,通过设置人工阻尼区实现了消波。利用该二维数值波浪水槽,对典型非线性二阶Stokes波进行了仿真模拟,通过设置虚拟波高监测仪,获取了非线性二阶Stokes波发生、发展和消亡的全过程。对比校验表明,所有仿真结果均与理论精确解相吻合。