三维溃坝波绕方柱剧烈流动的数值模拟

该文采用自主开发的非定常黏性流动问题求解器naoe-FOAM-SJTU,对三维溃坝波和直立方柱相互作用问题进行数值模拟.求解器naoe-FOAM-SJTU是基于开源代码OpenFOAM的数据结构、工具箱和基本流场求解器,专门面向研究船舶与海洋工程水动力学问题而开发的数值计算程序,它可以模拟三维波与物体相互作用等复杂问题,能够较精确的模拟波浪破碎、翻卷等复杂自由面演化过程.计算结果给出了三维溃坝波的演化过程,包括溃坝波和直立方柱相互作用过程中的波面爬高、破碎及翻卷现象,给出了方柱附近的涡流场;并分析了流体黏性效应的影响,得到了直立方柱受溃坝波拍击作用的水动力时间演化过程图,计算结果与实验数据吻合较好.计算结果表明,采用naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效地模拟有复杂波面演化的剧烈流动问题,较准确地预报波浪在结构物上的爬高和拍击力.     

孤立波翻越防波堤流动的湍流数值模拟

应用湍流数学模型和流体体积法模拟孤立波翻越防波堤的流动和自由表面变化。数模成功地再现了波浪涌顶和喷射、射流入水、自由表面破碎和漩涡产生等复杂流动过程,并获得了孤立波翻越防波堤时的压力分布。     

应用Boussinesq方程对Genus—2波系的理论研究

本文应用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程，对由直立防波堤反射而形成Ｇｅｎｕｓ－２波系进行了理论研究。通过对Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程二阶非线性波求解得到了４个不同传播方向的高阶波解。由一阶线性入射波与二阶非线性波的叠加在形成了具有双周期结构的Ｇｅｎｕｓ－２波系结构菱形波面图。通过物模实验，这种Ｇｅｎｕｓ－２波系的菱形波面得以呈现于物模港池中。物模实验与所做的数值结果比较可看出，数值结果与物模实验之值有着较好     

有限深两层流体中内孤立波传播演化理论模型研究

该文对Choi和Camassa给出的一个内孤立波方程模型中的系数进行了修正,并给出了基于方程的内孤立波定态解表达式,将其称为内孤立波me Kd V理论解,进而采用有限体积/有限差分混合方法数值求解内孤立波的三类(Kd V、e Kd V和me Kd V型)非线性传播演化方程,分别以内孤立波的Kd V、e Kd V、MCC和me Kd V定态解作为初始输入波,研究其非线性传播演化特性,并获得其适用性条件。结果表明,三类非线性传播演化方程,只适合于相应内孤立波定态解初始波的定态传播,而对其他定态解初始波将发生波形变形、分裂等非线性现象。在此基础上,定量地给出了三类非线性传播演化方程的适用性条件,为采用何种非线性方程来研究实际海洋中内孤立波的传播演化问题提供了理论依据。     

台阶形陆架上孤立波传播的数值模拟

为了研究孤立波在带有陡升台地的陆架上的传播,用MAC方法求解了二维纳维尔-斯托克斯方程。本文在以下几点,改进了东京大学提出的修正的网格标记法:1.给出交错网格的新的标号系统;2.推导出自由表面上非规则星的新的压力迭代公式;3.对流函数、压力和速度使用了三值悬旗;4.把一维Burgers方程的部分守恒形式扩展用于二维N-S方程。这些使得程序更简单和精确。计算结果证卖,物理上很好地解释了孤立波的传播,入射波分成了反射波和透射波,然后开始分裂、破碎。 本文计算结果与线性波理论的结果很一致,但后者不能给出波运动的过程。     

中等Reynolds数下并列方柱统流的数值模拟──MAC－AF1方法及其应用

本文通过采用ＭＡＣ－ＡＦ１方法求解原始变量二维不可压非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对中等Ｒａｙｎｏｌｄｓ数绕流下的并列方柱绕流进行了数值模拟。通过对Ｒｅ＝３００、５００、１０００、２０００及间隙度为ｓ／ｈ＝２．３时并列方柱的数值计算表明：Ｒｅ数对横向力的变化频率毫无影响，恰好是单方柱绕流横向力变化频率的两倍。阻力的频率与横向力的频率相同，阻力的时间平均值基本上与Ｒｅ数无关，但随着Ｒｅ数的增大，阻力和横向力随时间变化的波动幅度稍微有所增加。本文计算的方柱阻力时间平均值和横向力的频率与实验值符合得很好。     

正则化长波方程的三次样条差分模拟

本文对正则化长波方程(RLW方程)的时间、空间项分别采用三次样条公式进行离散,所得到的差分方程为三点、三层隐格式,对时间的精度为四阶,对空间的精度为二阶,每个时间步只需求解一个三对角方程组,而三次样条配置法在每个时间步中需要求解三个三对角方程组。本文对单个孤立波的演化进行了计算,参数与文[8]相同,其结果与解析解的最大绝对误差均保持在10~(-3)的量级以内,与文[8]给出的数值方法精度相当。对两、三个孤立波的相互碰撞,本文结果显示出在忽略10~(-3)量级的误差后,碰撞前后的孤立波形状保持不变,无论是一个孤立波的演化,还是两、三个孤立波相互碰撞,当将波形放大100倍后均可以发现有振荡的尾波,这说明这类振荡尾波的产生并非真实的物理现象,而是由数值误差产生的。本文认为仅从工程应用的意义上说,RLW方程具有孤立子性质的结论是可以接受的。     

浮体在浅水中运动产生的孤立波

本文对在浅水中以跨临界速度运动的浮体产生的兴波问题作了数值计算，用作者提出的求解浮体波动问题的新方法，将浮体与流体接触的物面作为自由表面处理，使Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程用于此问题的全域直接数值求解，数值结果使我们得到了新颖的浮体运动产生的孤立波解。     

具有边界流量时浅水孤立波的生成

本文利用三次样条方法数值求解了Boussionesq方程,计算了在具有边界流量时所产生的种种浅水波。数值结果表明了在一定的边界流量条件下,浅水中孤立波解的存在,部分地显示了孤立波的数目、幅值以及其后尾波与边界流量之间的关系,为水槽实验中孤立波的产生提供了可以借鉴的依据。     

模拟波浪运动的三维自由表面流动数值模型

基于Navier-Stokes方程建立了三维自由表面流动数值模型来模拟波浪运动.模型中Navier-Stokes方程的求解采用两步投影法,计算域的空间离散采用交错网格.采用满足自由表面运动学边界条件的水位控制方程来计算自由表面.通过数值结果与解析解的比较,验证了本文建立的三维自由表面流动数学模型可以精确的模拟线性色散波以及孤立波沿平底坡和非平底坡的传播.     

海堤工程波浪溢流问题研究进展

为了对全球气候变化背景下的海堤安全提供参考,回顾了波浪溢流研究的发展历程,从波浪溢流引起的越堤流量、内坡水流特征、越堤水流紊动特征等方面对波浪溢流相关的最新研究成果进行综述,认为波浪溢流的基本水力学参数均能够较为合理地计算得出。在此基础上分析了溢流、越浪、波浪溢流的等价性,指出了下一步需要针对波浪溢流区别于越浪的水动力特征及其对海堤作用与越浪对海堤作用的异同开展研究,为海堤的设计、评估和加固提供依据。     

NUMERICAL SIMULATIONS OF NONLINEAR WAVES OVERTOPPING AN OBSTRUCTION

1.　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｗａｖｅｓｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｏｂｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｓｏｆｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｉｎｏｆｆｓｈｏｒｅ,ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｎｄｃｏａｓｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ.Ｔｈｅｓ...     

不同护坡条件下波浪溢流海堤内坡水动力特征

波浪溢流指强风暴潮引起堤前水位超过堤顶,海堤受到的越浪与溢流联合作用。波浪溢流一旦发生,极易引起大范围的海堤内坡侵蚀乃至溃堤,产生灾难性后果。基于1:1的大型水槽试验,分析了波浪溢流过程中不同海堤内坡护坡条件下(碾压混凝土、铰接式护坡砖和高性能加筋草皮)海堤内坡水力学特征;建立了相应的内坡平均水深和平均流速计算模型,计算结果表明波浪溢流过程中海堤内坡上的波高分布仍符合瑞利分布,并分析了内坡上的特征波高和特征峰值水深之间的换算关系;提出了波浪溢流过程中海堤内坡上的均方根波高和波速经验计算式。     

海堤波浪爬高计算分析与越浪设计准则探讨

用国家堤防设计规范和欧美最广泛认可的van der Meer提出的斜坡复式海堤波浪爬高计算方法，对一系列工程实例计算对比之后，分析了有关影响因素，提出了对后者的修改和使用意见：对用van der Meer法计算的越浪量，与有关实验结果作定性对比分析，提出斜坡复式海堤越浪量计算中存在的问题和对有关公式的修改建议。相关分析表明，从海堤越浪安全和工程建设的角度看，现行规范规定的允许越浪或不允许越浪设计准则不够科学，应根据结构防护和功能要求直接以控制越浪量为设计准则。     

斜坡式海堤结构尺度对越浪量的影响研究

为系统研究坡式海堤结构尺度对越浪量的影响,开展了相关波浪水槽试验,在观察越浪量试验现象的基础上,分别研究了斜坡坡度、防浪墙顶超高、防浪墙高度对斜坡式海堤越浪量的影响。结果表明:防浪墙顶超高对越浪量的影响最为显著,越浪量随防浪墙顶超高的增大而减小,且减小趋势随之变缓,无量纲形式下的越浪量随相对防浪墙顶超高的增大呈现较明显的指数递减关系;随着斜坡坡度的增大,因斜坡面上损耗能量的增加大于反射能量的减少,越浪量总体呈现减小的变化趋势,斜坡坡度对越浪量的影响不及防浪墙顶超高;防浪墙顶超高一旦确定,防浪墙高度对越浪量的影响相对较小。     

海堤背水坡加筋草皮抗冲蚀能力试验研究

在台风和寒潮等极端事件条件下海堤背水坡易受到越浪和溢流的侵蚀作用,海堤背水坡的保护越来越受到重视;同时人们对海岸工程也提出了更多的生态和景观要求。加筋草皮作为一种新兴的护坡方式,发挥了土工织物防冲固草和草根系固土的作用,既提高了植被护坡的抗水力侵蚀能力,也满足生态功能。为研究背水坡加筋草皮的护坡性能,基于室内水槽试验,探究了不同加筋草皮方式在背水坡遭受高速持续水流冲刷和越浪水体斜向冲刷两种作用下抗侵蚀性能。试验结果表明:不同方式的加筋草皮抗侵蚀有差异,抗侵蚀性能由强到弱为三维土工网垫与土工格栅联合加筋、三维土工网垫＞土工格栅＞天然草皮。相同流量下卷破波斜向冲刷作用下较持续水流正向冲刷破坏更为强烈。     

Numerical study of wave overtopping on sea-dikes with crown-walls

Models based on non-linear shallow water (NLSW) and Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) equations are applied to investigate the characteristics of wave overtopping on sea-dikes with low vertical crown-walls. Wave overtopping experiments of both regular and irregular waves were carried out to validate the models. Thanks to pragmatic wall schematization approaches a simple NLSW model can effectively be applied to predict the right wave overtopping discharges for cases of relatively low walls. The process of the wave–wall interaction is both experimentally and numerically examined using a RANS model, which gives more insight into the wall influence on wave overtopping. Also, the RANS model is found to reliably predict average wave overtopping discharges and maximum green overtopping depths, whilst seriously under-estimate maximum splash heights.     

高滩陡坡地形下电力设施海堤的越浪量试验

以浙江舟山某海岛高滩陡坡地形下的电力设施海堤为例,通过物理模型试验,分别研究了平台宽度、平台超高、防浪墙高度对海堤越浪量的影响,并采用方差分析法进行了敏感性分析。结果表明:平台超高对越浪量的影响最为显著,防浪墙高度次之,平台宽度影响最小;无量纲形式下的越浪量随防浪墙顶超高的增大呈现较明显的指数递减关系。据此提出了电力设施海堤防浪结构的合理设置方式。     

单坡堤上不规则波越浪量的估算

通过对影响单坡堤上不规则波越浪量的主要物理因素的分析，根据模型试验结果，讨论了各相关因子对越浪量的影响，从而可由波浪特征值及建筑物形态来确定越堤水量。