河口海岸水动力非静压数学模型研究述评

在回顾非静压模型发展历程的基础上,概述了其基本方程、常用的数值计算及网格设置方法。针对非静压模型计算效率低的问题,综述了现有3类提高计算效率方法的优缺点。分析了非静压模型与静压模型在控制方程和数值方法方面的差异,归纳了非静压模型在近岸波浪传播变形以及河口斜压问题的应用情况。已有研究表明,非静压模型在近岸波浪传播变形、波浪与建筑物相互作用以及河口盐淡水混合的模拟研究中具有优势。但在计算效率、边界条件、浅水非线性、波浪破碎和实际应用等方面还存在需要解决的问题,针对这些问题提出了今后的研究方向。     

基于非静压方程的波浪与孔隙结构物相互作用模拟

通过将Darcy-Forchheimer运动方程引入非静压方程中,提出了描述孔隙流体运动的非静压波浪模型.将所建立的数学模型应用到波浪与孔隙结构物相互作用的数值模拟中,并采用物理实验的实验值与数值解进行了对比,结果表明,所建立的模型在垂向只需要较少层数(2~3层)即可合理地描述孔隙结构物前后的波浪变形,为描述波浪与结构物相互作用提供了一种新的解决方案.     

曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

近岸波浪作用下污染物运动数值研究

近岸波浪是影响污染物输移扩散的重要水动力因素之一.波浪对污染物输移扩散的影响主要有波浪扰动造成的水体紊动系数的增大和波浪破碎后形成的波生流对污染物输移作用.结合基于波作用守恒方程和光程函数方程的近岸波浪模型、三维水动力模型,以及污染物输移扩散模型,对波浪传播过程中污染物离散系数变化以及波浪破碎后形成的波生流中的污染物输移进行了数值模拟.模型基于非结构化网格,可用于大范围波流以及污染物的耦合计算.数值结果与解析值以及实验结果进行了对比,验证了模型的精度和适应性.     

基于曲线坐标系下缓坡方程模拟近岸波浪及波生流

为了更好地模拟曲线边界等不规则岸线附近,波浪传播及其破碎后形成的波生流问题,该文建立了正交曲线坐标下近岸波浪和波生流耦合数值模型;即采用可综合考虑近岸区波浪反射、折射和绕射等效应的双曲型缓坡方程计算波浪场,采用近岸深度平均的二维浅水方程计算波生流场,应用辐射应力的概念,使波浪模型为流场模型提供驱动力.波浪和波流模型基于相同的正交曲线网格,应用高效的ADI有限差分格式进行数值求解.将曲线坐标系下的耦合模型应用到半圆形水槽和凹型水槽两个物理模型中,数值模拟的结果分别和解析解、实验值及已发表的数值结果做了比较.模型实验验证表明,该文建立的数值模型比较准确、有效,可以应用到防波堤和河口等具有复杂边界和复杂地形的实际海域.     

波浪在潜堤上破碎的数值分析

为模拟潜堤上的波浪破碎,在高阶Boussinesq方程中引入二阶紊动粘性项,建立了考虑波浪破碎的Boussinesq数值模型.在非交错网格下利用预报—校正的有限差分法求解控制方程,其中预报采用了三阶Adams-Bashforth格式和校正采用四阶Adams-Mouhon格式.利用数值模型,通过数值试验,再现了波浪在不同坡度的潜堤上破碎演变过程.首先通过一组地形,将计算波面的时间历程与实验结果进行了对比,讨论和分析了二阶紊动粘性项中启动破碎的参数对数值计算结果的影响,给出模拟该问题时最优参数取值,进而通过其他两组地形的数值计算结果验证参数取值的合理性.     

基于波能守恒方程模拟近岸波流场

基于波能守恒方程对平直斜坡上近岸波浪场以及近岸波浪斜向入射破碎后所产生的沿岸流场进行数值模拟.鉴于平直斜坡地形较简单,便于简单计算,利用基于波能守恒方程建立的波浪场数学模型计算得到波高的变化,从而利用Longuet-Higgins计算辐射应力.在此基础上,利用近岸波流场数学模型对实验波况下的波流场进行模拟,并将数值模拟...     

一种非静压的平面二维水动力学模型

将N—S方程中的压力分解为静压和动压并将水平动量方程沿水深积分,垂向动量方程则只考虑动压梯度项．求解过程分解为静压步和非静压步,采用有限差分法离散水平动量方程,基于Keller-box格式离散垂向动量方程,得到关于动压的泊松方程并采用稳定双共轭梯度法求解,最后根据动压更新流速和水位,建立了一种非静压的平面二维水动力学模型．利用孤波和规则波的算例验证了模型的有效性．     

隐式完全非静压模型求解三维自由面的Navier-Stokes方程

为了适应复杂环境水流模拟的需求,详细而准确地描述自由面流动问题,本文采用基于Navier-Stokes控制方程的有效的三维完全非静压模型。此模型基于变量可定义于不同位置的四边形交错网格下,利用时间空间均为二阶精度的隐格式对三维Navier-Stokes方程进行数值离散。同时,与顶层压强的动压处理方式相结合形成了完全的非静压数值离散模型。最后,通过对三维线性驻波和连接丹麦与瑞典之间海域的潮流场的模拟,结果表明它能够准确地预测水流的三维流动结构,而且计算简单高效,具有良好的数值稳定性。验证了当遇到短波高频问题时,完全非静压模型所得的结果与解析解或测量值吻合良好,与静压模型、表层静压假设的非静压模型相比具有很高的准确度,体现了非静压模型的精确性和实用性。     

基于分层Boussinesq类模型的孤立波爬坡模拟

 波浪爬坡是自然界中普遍存在的现象,是近岸防波堤等结构物设计需要考虑的因素。本文采用分层Boussinesq类方程对近海岸波浪爬坡开展数值模拟研究,采用有限差分方法数值离散二层Boussinesq类方程,建立数值波浪模型。根据Synolakis 1986年的物理实验,数值模拟孤立波在梯形水道上的爬坡,验证了分层Boussinesq方程波浪模型在该研究中具有很好的适用性和较高的精度。模型较好地预报了波浪爬高的变化趋势。预报的波浪爬坡高度大于实验测量值,主要原因是实际的底摩擦大于模型中的底摩擦。     

Simulation and experimental study on lubrication characteristics of vertical hydrostatic guide rails

In order to improve the cutting stiffness,the paper studies the vertical hydrostatic bearing in the slide when a ram is in feed process.The change of the oil film thickness on hydrostatic guide rail and the curve of the oil film thickness in various cutting forces are calculated and a relation model through theoretical analysis method is derived.The pressure field of the guide rail recess is simulated based on the finite volume method and demonstrated through experiments.The study is of vital theoretical significance for the improvement of machining accuracy of numerical control machines and the entire computer numerical control （CNC） equipment and provides valuable theoretical basis for the design of hydrostatic guide rail in engineering practice.     

波浪在浅水中运动及破碎的数值研究

在一维的Boussinesq方程中引入表面翻滚的概念，通过附加迁移动量项来考虑浅水中的波浪运动以及破碎情况，建立数学模型。利用此数学模型对Airy波和孤立波在浅水中运动以及破碎情况进行模拟，得出的结果与Schoiffer和Goda的结果比较，吻合良好。     

河流海岸水动力学综合模型

为研究在波浪、潮流及河川径流等多种动力因素共同作用下河口海岸地区的水动力环境,建立了一个河口海岸地区的综合水动力学模型。该综合模型应用了基于改进型Boussinesq方程的近岸模型、基于Saint-Venant方程的河道模型,并考虑了波浪破碎及底部摩擦的影响,将近岸水动力模型和河道水动力学模型进行耦合求解。将该模型用于研究长江口及口内感潮河道径流与潮流的相互作用,涨潮及落潮过程中水流运动。计算所得到的各测站水位、流速及流向与观测资料吻合良好。     

贝宁海滩上波浪传播演变特性研究

为分析贝宁海滩上波浪传播演变特性，基于开源波浪数值计算软件COBRAS建立了贝宁典型海滩剖面数值模型，模型中采用k-epsilon紊流模型求解雷诺应力，采用流体体积法捕捉自由液面，并采用斜坡上波浪破碎试验结果对数值模型进行了验证。基于该模型对常浪条件和极端波浪条件下海滩上波浪传播规律的模拟结果表明：常浪条件下波浪主要在沙坝附近发生破碎，极端波浪条件下波浪在沙坝外侧200 m处开始发生破碎；破碎区域内水质点速度较大，常浪条件下沙坝周围的流速可达7.5 m/s,极端波浪条件下破波带内水质点速度可达12.4 m/s,且波浪回流与入射波浪在沙坝周围相互作用会形成较强的涡旋；随着波浪非线性的增强，波浪爬高也逐渐增大，在极端波浪条件下，沙丘上会发生越浪。     

孤立波破碎过程试验与数模结果比较

进行了孤立波在缓坡上的变形，破碎及破碎后的波浪对直墙建筑物冲击作用的试验研究并与ＶＯＦ方法的数模结果进行比较，试验中的地形由１：４、１“５０的斜坡及水平段三部分组成，数模得到的波浪在破碎前后的变形过程及波浪破碎位置与试验结果符合较好，直墙面上的破碎波冲击压力幅值的数模结果与试验结果基本相符。     

正交曲线坐标下Boussinesq方程的初步研究

从质量守恒方程和Euler方程出发,推导出包含底摩擦耗能、波浪破碎效应和亚格湍流效应的改进型Boussinesq方程,并对该方程以及边界条件进行了正交曲线转换;建立了正交曲线坐标系下的二维波浪模型并用实验地形对该模型进行了验证,计算结果与实测数据吻合很好,这说明该模型可以较好地模拟波浪传播过程中的浅水变形、折射、绕射和反射等现象。     

深水Boussinesq方程数学模型建立与验证

通过引入四参数和非线性浅水方程至Kennedy等人推导的二阶全非线性Boussinesq方程中,改善了原方程的色散和变浅性能,并通过新方程建立适合较深水域的近岸波浪场数学模型,模拟了椭圆形浅滩地形上的波浪传播变形,从数值结果和试验结果的比较上看,该模型可以很好地模拟近岸波浪场的实际问题。     

随机波波生流的数值模拟

为了更合适地反映实际海浪的随机性,作者采用随机波折射－绕射模型和波生流模型对近岸海域中的波生流进行数值模拟,探讨不同条件下随机波波生流的流场结构。通过计算发现除地形对随机波波生流有明显影响外,波生流的大小同入射波高及波浪破碎关系密切,其流向特别是离岸流的位置与入射波向有关。     

Simulation and experiment of starting transient flow field of the hydrostatic bearing based on dynamic mesh method

A new method is developed to assess and analyze the dynamic performance of hydrostatic bear-ing oil film by using an amulets-layer dynamic mesh technique.It is implemented using C Language to compile the UDF program of a single oil film of the hydrostatic bearing.The effects of key lubrica-tion parameters of the hydrostatic bearing are evaluated and analyzed under various working condi-tions, i.e.under no-load, a load of 40t, a full load of 160t, and the rotation speed of 1r/min, 2r/min, 4r/min, 8r/min, 16r/min, 32r/min.The transient data of oil film bearing capacity under different load and rotation speed are acquired for a total of 18 working conditions during the oil film thickness changing.It allows the effective prediction of dynamic performance of large size hydrostatic bearing.Experiments on hydrostatic bearing oil film have been performed and the results were used to define the boundary conditions for the numerical simulations and validate the developed numerical model.The results showed that the oil film thickness became thinner with the increase of the operat-ing time of the hydrostatic bearing, both the oil film rigidity and the oil cavity pressure increased sig-nificantly, and the increase of the bearing capacity was inversely proportional to the cube of the change of the film thickness.Meanwhile, the effect of the load condition on carrying capacity of large size static bearing was more important than the speed condition.The error between the simula-tion value and the experimental value was 4 .25%.