源造波法在三维完全非线性数值波浪水槽中的应用

为消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遇到结构物后在入射边界形成的二次反射,基于时域高阶边界元方法建立三维完全非线性数值波浪水槽模型:利用源造波法产生入射波浪,采用人工阻尼层技术消除波浪反射及二次反射;建立水槽的格林函数并应用于整个计算域,消除水槽两侧壁和底面的积分,减少了计算量.利用所建模型分别对规则波和不规则波的数值实验表明,数值结果与理论解吻合良好,且在出流边界和入射边界均无反射现象.     

Stokes波的数值生成

优良的波浪环境条件是非线性波浪与结构物相互作用问题研究的基础。给出一种在时域中模拟刚性剖面作周期运动辐射生成Ｓｔｏｋｅｓ 波的方法,为数值波浪水池试验提供高品质入射波模型。在频域中对二维二阶辐射问题作数值求解,通过对二阶辐射波传播模式的分析,找出能在水池中生成二阶意义上纯正的Ｓｔｏｋｅｓ波的造波机运动形式。利用边界积分方程的时间步进法进行非线性数值造波的模拟证实了在频域中得到的结论,在数值波浪水池中生成了稳定的带有波前的高品质Ｓｔｏｋｅｓ波。     

三维无反射数值波浪水池及波浪与结构物相互作用的模拟

基于不可压缩黏性流体的N-S方程,采用质量源造波法建立了三维无反射数值波浪水池,并成功地模拟了波浪与浮体的相互作用问题.该数值水池中间为质量源造波区和工作区,两端为消波区,以避免由边界引起的二次波浪反射.数值模拟规则行进波传播,波浪与贯底直立墙壁、矩形浮体、多浮体相互作用,并与边界法数值水池造波以及相关理论、试验结果进行了比较.研究表明,质量源法数值水池较好地模拟了波浪传播及在结构物前形成的驻波,克服了边界造波法无法消除二次反射波的困难,体现了无反射数值波浪水池的效果.采用数值模拟研究了波浪与并排旁靠的Wigley船和矩形驳船在不同频率波浪作用下的水动力性能,各频率上浮体所受的波浪力计算结果和试验值吻合良好,在共振频率附近比势流结果更为准确.     

退化子单元方法在构造数值波浪池中的应用

采用高阶边界元方法构造了一个三维数值波浪水池。为了解决奇异积分问题 ,在单元划分中联合采用连续元和不连续元同时引入一种在退化子单元中进行单元细分的处理方法。在数值波浪水池中模拟的线性波和非线性 Stokes波 ,都得到了较好的结果 ,表明所采用的高阶边界元方法以及开边界条件有着很好的计算精确性和稳定性     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

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.     

大尺度结构物附近小尺度杆件上波浪力的时域分析

为准确计算复合结构中小尺度杆件上的波浪荷载,不仅需考虑入射波浪的作用,还应该考虑大尺度结构物对波浪的绕射以及辐射的影响.本文以波浪对固定圆柱作用产生的绕射场为例,用Morison公式计算绕射场作用下细小杆件的波浪荷载.用高阶边界元法建立波浪对结构物作用的时域计算程序,利用积分方程求解域内水质点由绕射势产生的速度和加速度.结果显示,在一定的波浪条件下,考虑绕射波浪力得到的总力可达到入射波浪力的2倍.因此,在工程中应充分考虑复合结构中由于大尺度结构物存在而产生的绕射和辐射作用于细小杆件的波浪力.     

畸形波作用下海洋平台小尺度杆件波浪荷载分析

为准确计算复合结构中小尺度杆件上的波浪荷载,不仅要考虑入射波浪作用,还应该考虑大尺度结构物对波浪的绕射以及辐射影响.以畸形波对固定圆柱作用产生的绕射场为例,用Morison公式计算绕射场作用下细小杆件的波浪荷载.用高阶边界元法建立波浪对结构物作用的时域计算程序,利用积分方程求域内水质点由绕射势产生的速度和加速度.结果显示,在一定波浪条件下,杆件上的总波浪力为入射波浪力的1.2倍.因此,在工程中应充分考虑复合结构中由于大尺度结构物存在产生的绕射和辐射作用对细小杆件的波浪力.     

循环水槽多层孔板消波装置开发及消波特性数值模拟

基于k-ε湍流模型,在STAR-CCM+平台上建立数值波浪水池,开发透水式多层开孔板消波装置并研究其消波特性.波浪水池利用流体体积(Volume of Fluid, VOF)方法追踪自由液面,采用STAR-CCM+的VOF WAVE模块造波,出口边界设置阻尼消波区.通过对一系列指定波浪的模拟,验证了数值水池的准确性.改变波长、波高、水流的流速和方向,可得到消波装置在不同波流条件下的反射与透射系数.结果表明:反射系数和透射系数均随波长增加而增大;反射系数随波高增加而增大,透射系数随波高增加而减小;波流共同作用工况下,反射系数和透射系数远小于波浪单独作用工况;在模拟波流条件下,所开发的消波装置消波性能显著.     

水流对立柱周围波浪爬升特性的影响

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和连续性方程建立适用于波浪与水流相互作用的三维数值波浪水池,并在该数值波浪水池内对立柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟;选用不同的波流组合方式,探讨了水流速度对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响,并与波浪单独作用时立柱周围的波浪爬升情况进行对比,分析了水流对柱体周围波面的扰动和水质点运动轨迹的影响.同时,对波浪单独作用下,立柱近壁面处的波浪爬升效应进行了模型试验,以验证数值计算结果的准确性.结果表明,其计算值与试验值吻合较好.     

面向海洋工程应用的数值波浪水池

采用FLUENT软件中的用户自定义函数功能和动网格功能进行造波和消波,采用VOF方法捕捉自由液面,开发了一个数值波浪水池,该水池可以生成规则波浪、按照波谱生成不规则波浪以及生成既定的不规则波波列.文中开展了网格和时间步长试验,力图找到经济精确的网格划分方案和高效的时间步长方案.文中按照Jonswap谱进行了不规则波浪的数值模拟,采用了等分能量法分解波谱的频率区间来得到组成波的圆频率,模拟结果显示计算波谱与目标波谱一致,波浪的统计特征得到了很好的体现,模拟不规则波波谱的缺点是耗时过长.由于真实海况下对海洋浮式结构物造成损坏的往往不是整个波浪时间序列,而是少数的几个大波或者波列中的波群.因此采用CFD方法准确模拟出既定的波列将会对了解极端海况下海洋结构物的损坏事故提供极大帮助.采用本文提出的方法成功模拟出了既定的极大波,这个方法的关键在于确定造波板的运动规律.类似按照波谱造波,文中将造波板处的波浪时历进行了分解,得到了若干个小振幅波,通过傅里叶级数法推导出了每个小振幅波的特征参数.同样采用水力传递函数确定每个小振幅波对应的推板振幅,之后将这些组成波对应的推板运动规律进行叠加得到了模拟不规则波波列时需要的推板运动规...     

数值波浪水池中航行船舶绕射问题的数值模拟

基于计算流体力学（CFD）方法建立了数值波浪水池（NWT）,并对波浪生成传播和波浪中航行船舶波浪绕射问题进行了数值模拟.讨论了适合航行船舶绕射现象模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下NWT中波浪生成、传播和消波等,模拟计算了多个航速顶浪和斜浪航行的拘束Wigley III船模在不同波长的规则波中运动时所受的波浪力（矩）.通过与势流理论结果和Delft University of Technology（DUT）试验结果的比较显示,NWT方法计算的结果与两者的结果吻合良好;比实验更易实现和控制;能描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

非线性波浪的数值模拟

为快速有效地模拟三维波浪问题,采用高阶谱方法建立了完全非线性波浪的数值计算模型.高阶谱方法是将速度势函数展开成Fourier级数的形式,通过快速Fourier变换求其空间导数,具有很高的计算效率和精度.把数值结果与五阶Stokes波理论解和聚焦波实验结果相比较,并计算了初始面升高引起箱体内液体运动问题,验证了所建立的数值计算模型的有效性.     

用ALE有限元法建立二维数值波浪水池

从ALE描述下的Navier-Stokes方程和连续方程出发,对数值波浪水池进行分析、通过对各种边界条件的处理建立了合适的二维数值波浪水池。通过对二阶Stokes波的探讨,阐明了此数值波浪水池是有效合理的。     

水波传播的无网格数值模拟

在水波传播的数值模拟中采用了一种基于配点和径向基函数的无网格方法.采用Laplace方程的基本解作为径向基函数,将源点布置在模拟波浪场之外,沿边界布置配点而不是划分网格,从而自动满足控制方程,且不存在奇点,不需要求解积分方程.数值造波采用给定入射波面和速度势的方法,数值消波综合采用阻尼层消波和Sommerfeld辐射条件,非线性自由面的演化追踪采用二阶Taylor级数展开式.对线性规则波和非线性三阶Stokes波的模拟显示,数值结果与理论解吻合良好.表明无网格方法不但形式简单、计算速度快,而且稳定性和准确性令人满意,有望成为水波模拟问题的一种有效的数值方法.     

二维数值造波水槽不规则波之数值研究

利用边界元素法所建立数值造波水槽探讨不规则波浪之造波与传递问题，以Lagrange法描述水粒子之运动并利用前进差分处理时间项之微分项。水槽一端为活塞推拉式造波板，运动方式以Mitsuyasu-Bretschneider之波谱造波，另一侧设有一段消波区以减少计算结果受波浪反射之影响。水面上选定若干个测点量取水位变化之历时，利用波谱分析水面上各测点之波谱并与原入射波波谱比较来探讨本模式之准确性。     

内孤立波与潜艇相互作用的水动力学特性

为了研究海洋内孤立波与潜艇的相互作用,采用有限体积自适应半结构多重网格法求解Navier-Stokes方程,应用双推板造波法模拟内孤立波数值水槽,并将潜艇SUBOFF模型放置于数值水槽中,研究航行的潜艇在海洋中遭遇内孤立波时的流场形态和受力载荷特性。研究结果表明:潜艇在穿越孤立波时在垂向和水平方向的受力都会在短时间内发生巨变,力矩的突变也有可能使潜艇发生倾覆,同时还可能会产生强大的冲击载荷而导致其破损。