随机风-浪联合传播数值模拟及分析

海洋风、浪往往同时传播,同步传播过程中风、浪之间具有显著的相互耦合作用。针对海洋脉动风和随机波浪同步传播的数值仿真需求,基于程序开发平台MATLAB和计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件平台Fluent,提出了一种随机风场和随机波浪联合传播数值模拟方法,基于该数值方法构建了随机风-浪联合传播数值水槽,并对该数值水槽单独随机风、单独随机波浪以及随机风-浪联合传播的数值模拟效果进行了试算和验证分析。结果显示该水槽数值模拟脉动风速与对应理论计算风速相吻合,水槽数值模拟随机波浪与对应理论计算随机波浪相吻合,水槽风-浪联合数值模拟显示了风、浪之间显著耦合作用效应。建立的随机风-浪联合数值水槽在随机风和随机波浪同步传播的数值仿真上具备可靠性及可应用性。研究内容为海上风、浪环境要素耦合效应研究及海洋工程结构风-浪联合作用相关研究提供了平台基础。

小型室内水槽造波造风系统设计

小型室内风浪水槽是海气界面多种微尺度过程实验研究的基础设施。造风造波系统是风浪水槽的核心部分。针对多种微尺度过程模拟的需要,设计了造风造波系统的硬件结构与控制软件。利用该系统,开展了多种造波、造风实验。通过对实验数据的分析,证明该设计满足各项预定指标,可以有效模拟多种海气界面风浪环境。

风浪要素数值实景监测的设计与实现

运用现代数码技术,设计了风浪要素数值化实景监测,对近距离局域风浪进行非入侵式自动图像监测与风浪数值信息提取.在设计中采取不同于常规风浪遥感散射回波反演的方式,通过人机互动,应用相似性搜索判别原理,实现了风浪场中波峰线的自动识别与绘制,并以此为基础进行实况分析与运算,获得波长、周期、波速、波向、波龄以及波高、波陡等各项要素的统计值.针对波高与其他波浪参数无直接解析关系式问题,依据风浪非线性动力统计特性的谱模型,建立了波高逆运算函数方法,通过实验调试参数由实景监测的波长推导出波高等风浪结构要素.经实验室及室外自然条件测试,该监测系统能给出合理的观测时段的风浪要素统计特征值.

用于海气界面微尺度过程观测的水槽设计与实验

为了给海气界面研究中的仿真与验证提供较全面的研究数据,根据现有技术基础和国际前沿观测技术及设备的发展水平,设计完成了具有造风造波能力,并满足小尺度波浪破碎和混合、微尺度坡度场、水体内部的湍流混合、界面的热辐射及传输等过程观测需要的小型多功能水槽。实验结果表明,该小型多功能水槽各部分配合顺畅,达到了各项观测技术的要求。该水槽可以成为海气界面研究的一个多手段、便捷的室内实验平台。

高频波浪的测量与谱分析

为了解高频海浪的特征,通过在实验室风浪水槽中进行实验测量,获取了风浪高频部分的数据。实验采用直径为0.2mm的细钽丝作传感器,采样间隔为0.005s,每组采集30000个数据,以获得对波浪高频部分的更多的信息。通过分析,得到了高频风浪谱参数及其平衡域的特性,并提出次峰现象可能是采样速率过低、因计算方法造成的假象,并不是海浪特有的高频现象。

风浪作用下库岸孔隙水压力响应试验研究

大多数水库都存在库岸坍塌问题,库区风浪波高明显高于成库前,风浪对库岸边坡稳定具有重要的影响.采用线性波和椭圆余弦波进行波浪水槽试验.结果表明,库岸内孔隙水压力随着波高、周期、水深的增大而增大,孔隙水压力沿库岸水平和垂直方向衰减速率不一致,浅层衰减较快,深层衰减较慢或已趋于稳定;黏土库岸浅层相应位置的孔压比沙土中的大,沿深度方向黏土中的孔压衰减较快,沙土库岸底层中相应位置的孔压比黏土中的大;沙土库岸内,线性波作用下孔隙水压力较大.不同波况作用下,孔隙水压力差值随波高增大而减小,随周期增大而增大,随水深增大其变化很小.

大型风浪水槽风浪统计特征的测量和分析

研究大型风浪水槽的风浪统计特征，采用多通道测波系统，同步采集沿水槽的１２个测点在不同风速下的风浪数据，从观测事实上分析风浪波面分布和有关要素特征，并建立水槽风浪统计要素与风速。

风浪槽内风浪外频谱谱形的一些特征

利用实验室风浪槽内测得的波面序列资料估计风浪外频谱。通过与实测风浪内频谱的比较,研究实测风浪外频谱的谱形特征,探讨海浪外频谱与内频谱的相似性问题。此外。

水气动量交换的实验研究

在风浪槽中进行水气动量交换实验，测量了不同风速和风区下的波浪及空气湍流流场。测量数据表明水面上风速分布符合对数律，水气界面附近存在小范围的动量交换常通量层。阻力系数 Ｃ Ｄ 随风速增加线性增长，随波龄增加而减小。这一趋向与理论分析及外海实测结果一致。对风浪发展过程中波浪和空气湍流谱结构的分析证明了水气运动的耦合关系。

滑移流对浅水湖泊风浪传播特性影响试验研究

浅水湖泊等有限风吹程及水深水域的风浪多处于发展阶段,风拖曳表层水体产生的滑移流会对风浪传播特性产生影响,风浪的波速、波长等参数难以通过线性波的理论频散关系获取。为准确预测湖泊风浪参数,在考虑浅水湖泊的有限吹程和水深特征的基础上,利用风洞水槽模拟研究了滑移流对风浪传播特性的影响。结果表明:滑移流、斯托克斯流及表面流均与风速正相关,滑移流与表面流比值随着风速的增加逐渐降低并稳定于75%;滑移流对波速和波长有促进作用,对小尺度波浪的促进作用尤其显著;波浪非线性会抑制滑移流对波速及波长的促进作用;建立了考虑滑移流影响的风浪经验频散关系式以及风浪主频波速经验关系式。

新型海上风电复合筒型基础波浪荷载研究

对于新型海上复合筒型基础,现行规范中还没有提出计算波浪荷载的方法。文章基于开源程序OpenFOAM建立了波浪与结构物相互作用的三维数值波浪水槽,并针对复合筒型基础在不同波浪条件下的波浪荷载进行了大量模拟。利用模拟结果提出了分层计算方法中波浪力矩作用点的修正公式,修正结果可以较为准确地计算波浪力和力矩。

大型风浪水槽风速分布的测量和分析

对风浪水槽风速分布精确测量，较详细地获得了该水槽风速分布的基本特征和边界对风场的影响情况。明确了水槽边壁和有限的空间限制是影响模拟实验的重要因素。这项工作对于合理选择实验区段，估计实验误差等有重要意义。

波浪水槽自动加风系统设计

阐述设计研制一种波浪水槽自动加风系统,能够实现自动加风、实时采集数据、监测风机及变频器的运行状态。此系统采用变频器控制大功率轴流风机造风,通过风速传感器监测反馈风速,利用上位机软件实时控制,该套系统即可输出可变风谱,也可以输出定常风速,风速控制快速稳定,造风精度高,且具备完善的数据存储功能,为波浪水槽加风试验提供精确的风速基础数据,使波浪水槽加风更加逼近真实的工程情况。

风浪流联合作用下海上风电单桩基础荷载数值模拟研究

我国海洋风能资源丰富,海上风机受到风、浪和流等复杂环境荷载,对风机设计和运维起着重要作用。该文基于开源流体力学软件Open FOAM求解器olaFlow,采用k-ωSST湍流模型,建立风、浪和流联合的海上风机荷载计算数值模型。对不同水位条件下,如东海上风电单桩基础受到的风荷载、波流荷载和风-浪-流联合荷载进行计算,并与经验公式进行对比分析。结果表明,该模型与经验公式结果具有良好的一致性。