波浪对水平板冲击作用水气二相流数值模拟研究

冲击波压力是水工结构物的主要致灾动力之一.针对波浪裹挟气体作用于结构物的波浪冲击问题,考虑气体的可压缩性对准确计算结构物所承受的冲击波压力具有重要影响.基于简化的水-气二相流通用控制方程,结合动量源项造波法,采用加权本质无振荡(WENO)格式求解对流项,同时使用以加权线性界面计算法改进的多维双曲线切线法的界面捕捉法(THINC/WLIC)追踪水气界面,建立了不可压缩-可压缩水-气二相流的数值波浪模型.首先,通过将数值模型生成的行进波和驻波结果与其解析解进行比较,验证了本数值波浪模型在波浪生成和传播模拟方面具有较高的精度.据此,本研究将模型应用于模拟规则波对水平板的冲击过程,将冲击压强的模拟结果与实测数据以及未考虑空气压缩性的模型结果进行了对比,本数值模型能有效再现空气可压缩性对波浪冲击过程中冲击压强的影响,能够给出较高精度的冲击压强定性和定量结果.同时对水平板底部的流场结构进行了分析,结果显示,波浪冲击过程中不同的空腔形态会影响流速分布,从而对冲击压强产生影响.

狭长型港池低频波浪分布数值研究

本文依托港池物理模型试验结果,采用MIKE21-BW数值模型进行港池长周期波浪产生机制研究。对比分析物理模型试验和BW数值模型,二者吻合度较高。将192 s的长周期波浪作为入射波,港域发生长周期波浪振荡,最大波高可达到入射波的3.7倍。在入射波频率分别为f_(1)和f_(2)的双色波作用下,由于波浪间的非线性作用,产生了频率为Δf、2f_(1)-f_(2)、2f_(2)-f_(1)、3f_(2)-2f_(1)、f_(1)+f_(2)等波浪成分,当低频波浪趋于港池固有频率时,在港池内发生长波振荡。在谱峰周期为10.2 s的波群作用下,波浪之间非线性作用产生长周期波浪,长波波高与入射波陡H0/L成正比,与波浪方向分布范围大小成反比,且单向不规则波产生的长波振荡最为剧烈。

基于SWAN模型下的马拉博油罐区深水波浪条件分析

在深水波浪条件下,油罐区的稳定性和安全性都面临着极大的挑战,对所在海域的风与波浪耦合作用的波浪分析变得至关重要。本文基于第三代海浪数值模型SWAN,依据CCMP和CFSR数值风场资料,建立南大西洋海浪后报数据集。通过与尼日利亚拉格斯外海Bonga站和纳米比亚卡拉斯外海Kudu站的实测数据资料进行对比,验证了数据集的合理性。并对赤道几内亚马拉博外海深水波浪条件进行分析,为后续油罐区项目建设提供数据参考。

近岸波浪变形数值模型的比较研究

外海深水区的波浪传播到近岸浅水区时,受到岛屿、地形与建筑物等影响,发生折射、绕射、反射和破碎等一系列变形。准确计算近岸与港内波浪分布,成为港口与海岸工程研究的重要课题。文章在总结波浪数值模拟发展现状的基础上,对目前常用的基于椭圆型缓坡方程的CGWAVE模型、基于Boussinesq方程的MIKE21-BW模型和基于动谱平衡方程的SWAN模型进行了比较研究。

一种浅水波浪数值模型的应用研究

简述目前几种浅水波浪数值预报模式 ,介绍了国内外以能量平衡方程预报浅水波浪的若干模式 ,重点介绍了应用当今最新波浪研究成果发展起来的并经过若干理论及现场观测资料验证的 SWAN模型 ,详细论述了模型的特点及其适用性 ,其动谱能量平衡方程的数值离散格式及对能量源汇项的处理方法 ,利用 SWAN模型计算了在不同水深时流场对波浪传播的影响 ,并与线性波流理论计算结果进行比较 ;最后 ,将模型应用于海安湾的浅水波浪数值计算 ,模拟湾内波高及周期场分布 。

基于粘性流模型的筒型基础防波堤波浪力数值分析

筒型基础防波堤是一种新型港口海岸工程结构,其基础上部是由连续排列的圆筒构成的直立防浪墙。采用粘性流数值模型,研究连续圆筒防波堤上波浪力竖向分布、水平(沿圆筒环向)分布和波浪力合力特性,并对粘性流数值模型计算的平面直墙波浪力与海港水文规范方法计算结果;粘性流数值模型计算的连续圆筒墙面波浪力与平面直墙波浪力;无限长连续圆筒墙面波浪力与有限长连续圆筒墙面波浪力进行比较分析。针对所选工程算例,建议按《海港水文规范》中平面直墙波浪力计算方法确定连续圆筒防波堤上的波浪力时,波峰时考虑0.90左右的折减系数,波谷时考虑0.95左右的折减系数。

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。

波浪对海底管线作用的物理模型实验及数值模拟研究

利用物理模型实验,测量了海底管线在波良作用下的水平力和升力,并应用Morison方程及流函数理论,按最小二乘原理得出C_D和C_M以及C_L,讨论了它们与Kc,Re及间隙比e/D的关系.本文还应用边界拟合坐标及二维流场的大涡模拟法,模拟了与实验相同工况下海底管线的受力及流场情况,并把物理模型实验和数值模拟的结果进行了比较.

波浪增减水的实用数学模型及其数值模拟

提出了一种模拟近岸区波浪增减水的实用数学模型.首先采用考虑波能损失的抛物型缓坡方程数值模拟波浪破碎引起的波浪复振幅变化,接着根据计算得到的波浪复振幅,采用一种新的辐射应力公式计算辐射应力分量,然后采用深度平均方程计算波浪破碎产生的增减水.采用该模型对规则波和不规则波破碎引起的增减水进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明该模型可有效模拟近岸区由于波浪破碎引起的增减水.

基于长期波浪序列的沙质海岸演变数值模型

提出了基于长时段波浪序列的沙质海岸线变形数值计算模型。给出了该模型的显、隐式差分计算格式，作为应用实例，计算了苏北海州湾沙质海岸段一丁坝前的岸线变形；结果表明，模型对波浪输入的顺序很敏感，长期波浪序列的作用效果与所谓的“多年平均波况”的作用效果不一样。采用长期波浪序列，可使系数的率定和模型的验证结果更切合实际，从而使模型的计算结果更为合理。

基于第三代浅水波浪模型的海区泥沙骤淤数值预报及工程应用

在简要介绍现有近岸波浪数值模型的基础上,对应用了最新波浪研究成果、适用于海岸、湖泊和河口地区的第三代浅水波浪数值预报模型的研究和应用进行了详细论述。通过该模型数值计算得到黄程山局部区域不同风向的有效波高分布,将模型与海区泥沙骤淤机理相结合,进而得到整个区域平均含沙量的分布,并数值预报近岸区域骤淤量随时间的变化,研究成果可为海区大风浪情况下骤淤预报提供理论指导,本文最后讨论了泥沙骤淤计算模型未来发展的趋势。

青岛浮山湾数值化海区建立的研究——浮山湾波浪模型的建立

在考虑了地形变化,水域开挖,建筑物的掩护,码头和防波堤的反射等对波浪影响的基础上,建立了青岛浮山湾海区波浪模型。计算网格采用矩形网格,为了减少误差,保证计算的精度,计算中均采用正向入射,岸滩按全吸收边界考虑。由模型计算得出各计算点在不同水位和浪向时50年一遇的比波高和波高值。为奥运赛场的建设规划提供了基础依据。

基于改进型Boussinesq方程的二维波浪数值模型

基于改进型Boussinesq方程,在非交错网格下,建立了二维波浪数值模型。模型计算采用了有限差分法,时间格式上采用混合四阶Adams-Bashforth-Moulton,空间格式上采用了Wei等(1995)给出的格式。数值计算中,采用了内部造波技术。数值模拟针对3组经典浅滩地形上波浪传播变形的实验进行,数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了数值模型,该模型可期望用于实际港口波浪预报。

基于相似模型的导管架平台波浪载荷数值模拟

为确保海洋平台在海浪环境下的安全生产,研究波浪载荷的数值模拟方法及波流耦合作用下平台结构的静动力响应。以导管架平台相似模型为例,应用有限元法,根据5阶Stokes波浪理论,对平台在波浪载荷作用下的静动力响应进行了数值建模和仿真分析。结果表明:在波浪载荷作用下,平台结构产生类周期往复运动,周期与波浪周期基本一致;平台不同位置的响应值不同,从泥线至平台顶端,响应值逐渐增大;平台甲板结构变形明显,最大应力出现在桩腿底部位置。为实际工程应用和安全诊断提供参考。

随机波列中极端波浪波形和波高分布的数值试验研究

极端波浪对近岸和海洋结构物存在着极大威胁,结构物的设计必然需要考虑极端波浪的影响,因此对波浪波高分布和极端波浪波形的研究对工程设计有重要的意义。为了能够准确地预测各种海况下波浪的分布和结构物的响应,本文在二维数值非线性波浪水槽中模拟了有限水深中随机波浪的传播过程产生的极端波浪,分析了谱参数对极端波浪波形的影响,并对比随机波浪的波高和波峰分布与理论分布。Tromans提出的新波模型从概率角度给出了极端波浪最有可能波形。结果表明:三阶新波模型能够较好地描述极端波浪的波形;但是在波陡较大时,实际波浪更为陡峭,并且具有明显的高波峰浅波谷的特点,新波模型的误差增大。MER分布和三阶Tayfun分布在极端波高范围内能够较好地吻合实际波高分布,而二阶Tayfun分布和Forristall分布仅适用于波陡较小情况的极端波出现概率预测。

一类弱非线性波浪数值模型及其适用性分析

研究了一类含弱非线性的改进型Boussinesq水波方程,在非交错网格下,利用有限差分法建立了混合四阶Adams-Bashforth-Moulton的预报校正格式的波浪数值模型。在数值模型中,关于空间一阶导数差分格式采用四阶精度、二阶导数差分格式采用二阶精度。针对波浪的一维、二维传播变形问题进行了数值计算,并通过与相关实验结果对比分析考察了该数值模型的适用性。

跨海大桥不同类型下部结构波浪力特性

为研究海洋环境中下部结构所受波浪力及最危险来波方向,本文以头门港跨海特大桥为背景,以低桩承台桥墩、通航孔桥墩和高桩承台桥墩三种下部结构缩尺模型为研究对象,基于物理模型试验和CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟,研究波浪力作用下的跨海大桥下部结构受力性能。通过下部结构物理模型顺桥向、斜桥向、横桥向迎浪时的水平波浪力时间曲线,对比分析物理模型试验和数值模拟得到的波浪力,并进行桥上行车性能的研究。结果表明:三种下部结构最危险的来波方向均为顺桥向,且受桥墩尺寸与结构形式的影响,迎浪侧的结构尺寸越大,产生的波浪力越大;桥墩部分和桩基部分的波浪力由速度力控制,而承台部分的波浪力由惯性力控制,当下部结构受波浪作用时,各部位水平波浪力的峰值并不同时出现,但均是承台处率先达到峰值;跨海大桥下部结构中水平波浪力峰值最大的部位与波浪作用位置有关;波浪力过大会影响桥梁行车的舒适性。

波浪动力艇模型自航试验及数值仿真

为解决受控主动摆翼驱动装置复杂、机械效率较低的问题,研究依靠升沉运动产生的力矩来驱动俯仰运动的被动摆翼装置,并将其应用于波浪动力艇。在波浪作用下,将被动摆翼安装于艇体底部的一定位置处,产生的推力即可推艇前进。在模型试验中,通过改变波浪周期、波高和控制机构的设置,比较试验艇的自由航行速度。结果表明,试验艇的航速与波高呈正相关关系,且当波长与船长之比约为1.8时推进效果最佳。通过数值仿真,显示两种控制机构配置时的水翼工作过程,并估算在一定波浪参数下波浪动力艇可达到的航速,所估算的航速与试验结果吻合较好。

完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法(BEM)对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi(IGN)方程并采用有限元法(FEM)对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。

直接在网格点上作波浪折射的数值计算模型

从波向线微分方程和波散因子微分方程出发,进行波浪折射角θ和波散因子β的数值计算。在计算模型的设计上,建立了可在八个方向上作外推计算的统一公式,对计算点和计算方向实施了选择控制和扫描循环控制,可在复杂地形情况下算出结果。通过对地形模型和老黄河口海区的试算与比较,指出该方法可在实际中应用。