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。     

不平水底浅水波问题的位移法

该文研究考虑不平水底的二维浅水波问题的位移法。利用水平位移与竖向坐标无关的假定,建立了基于位移的浅水波方程和相应的Hamilton变分原理。针对文中提出的基于位移的浅水波方程,利用有限元和保辛算法建立了相应的计算格式。最后给出一个具有抛物线型河床的浅水周期晃荡算例。数值算例表明该方法可以有效模拟带动边界和不平水底浅水波问题。     

浅水航道船行波数值模拟研究

浅水航道船行波对于内河航运安全与航道维护存在诸多负面影响,近年来受到越来越多的关注。该文以水面扰动压强区域表达船舶航行影响,在浅水波传播的Boussinesq方程中引入压力梯度项,并据此改写开源程序COULWAVE代码以实现浅水航道船行波的数值模拟。通过对二维槽道和三维槽道等多个案例的模拟研究,再现了浅水航道孤立波现象,得到了船体前后船行波波态的完整信息,通过了模型试验结果的严格验证。研究结果证明了文中所采用浅水航道船行波模拟方法的应用有效性。     

三孤立波的斜坡爬高特征

该文采用推板式造波机和改进的Goring造波方法在波浪水槽中生成了由三个等波高孤立波组成的波列,首先在坡度为1/10的斜坡上进行了多个孤立波连续爬高的实验研究。实验测量了等波高双孤立波和三孤立波在等水深波浪水槽中传播和在斜坡上的爬高过程,给出了沿程多点浪高仪测量的波面时间序列和高速摄像记录的水线在斜坡上爬高与回落过程影像。分析了来波相对波高和无量纲波峰间距对每个孤立波爬高放大系数的影响。在基于RANS方程和VOF方法的数值波浪水槽中,模拟了三孤立波爬高过程,给出了最大爬高与破碎特征。实验和数值模拟结果表明,孤立波在斜坡上回落时会产生强劲的回流水流,该反向流动导致后随孤立波破碎,消耗波动能量,使得后随孤立波的爬高放大系数明显小于没有回落水流影响的首个孤立波的爬高放大系数。当孤立的波峰间较大时,若来波相对波高较小,后两个的孤立波爬高基本相同;若来波相对波高较大时,第三个孤立波的爬高大于第二个孤立波的爬高。     

方尾船在浅水中兴波的数值研究

本文从含移动压力的浅水波方程出发，计算方尾船在浅水中的兴波。船的运动看成对自由水面的压力扰动，直接加到浅水方程组。采用运动网格的有限元法求解浅水波动方程。在船体周围的开边界上使用无反射的边界条件。本文给出三维自由水面波高图、深度平均的水平流速以及方尾船兴波阻力系数、船体沉浮量、纵倾角的数值结果。从物理意义的定性分析来看，数值结果是合理的，计算方法是有效的。计算结果表明，兴波阻力系数、船体沉浮量、纵     

一种Godunov算法及其在非平底流污染物传输中的应用

采用和谐的加权平均通量(Weighted Average Flux,简称WAF)算法,研究了浅水波方程的间断解及污染物传输问题。该算法采用WAF格式和HLLC Riemann求解器近似单元边界数值通量,中心差分格式离散地形源项,然后理论上证明了该算法是和谐的。最后利用WAF算法对非平底地形上浅水波间断解及污染物传输问题进行数值计算,精确地捕捉到了间断解和污染物运动过程,结果表明该算法满足守恒性,具有高分辨率、无振荡及捕捉污染物运动边界的能力。     

内孤立波与有航速潜体相互作用数值模拟

基于两层流体中内孤立波的KdV-mKdV理论解,采用速度入口和开管道方法进行内孤立波数值造波与消波,建立了同时具有造波、造流和消波功能的数值波流水槽。利用所建立的数值波流水槽,对内孤立波与有航速潜体相互作用问题进行了数值模拟,计算分析了受力特性。数值结果表明,内孤立波造波结果理想,消波效果显著,在内孤立波流场中有航速潜体将会受到突发性冲击载荷的作用。研究表明,利用所述方法来研究内孤立波与有航速潜体的相互作用是一条有效的途径。     

试验室波浪模拟的若干问题

本文介绍了已在我院不规则波造波系统中开发的几个波浪模拟程序的基本原则、方法和一些结果。其中,涉及了一特定波列的复演、过渡波的产生和演变、非线性周期波的产生、波群和孤立波的模拟、浅水中不规则波的正确实现等6个问题。这些波浪模拟问题在实践中得以解决、改善和应用,将有助于港口工程中波浪、波浪与水工建筑物的相互作用等方面的研究进一步深入。     

基于三角形网格的浅水间断流动泥沙输移数值模拟

浅水间断流动条件下泥沙输移具有广阔的工程应用背景.采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解法向数值通量,应用干底Riemann解计算动边界问题,建立了基于无结构三角形网格空间二阶精度的二维水流和泥沙输移有限体积法数值模型.模型在纯对流问题检验的基础上,模拟了孤立波在滩面上传播变形以及对圆柱周围的局部冲刷,复演了孤立波变形后流场和泥沙场突变的过程,并且圆柱周围局部冲刷坑计算结果与实验基本吻合.     

孤立波对浸没平板作用的二维边界元数值分析

该文采用二维边界元方法研究孤立波与浸没固定式平板的相互作用,研究相对波高、相对宽长和相对浸没深度对水动力载荷的影响规律。通过孤立波在台阶上传播与分裂及孤立波中平底上浸没固定式平板的波浪载荷等算例,验证了基于势流理论与完全非线性自由表面条件的二维边界元计算方法的正确性。系列数值模拟结果表明,孤立波作用下浸没平板的上举力随相对板长的增大而增大,而向下的垂向力增大趋于一常数。与平底情况相比,浸没平板下的斜坡会使得垂向力增大。通过分析波形、流场速度分布以及板表面压强分布等角度分析了水动力载荷的变化机理。     

基于涡动相关法的沉积物-水界面氧通量与水动力条件响应关系

沉积物-水界面是物质参与环境地球化学循环和生物耦合的"热区",水动力条件是沉积物-水界面物质交换的关键影响因素。溶解氧作为常用的水质评价指标,对调节生物化学进程有重要作用,因此本文采用涡动相关法这种非侵入式通量测量技术开展室内试验研究,探究沉积物-水界面氧通量与水动力条件的响应关系。结果表明:随着水体紊动增加(采用Batchelor尺度表征),扩散边界层厚度减小,氧通量增大。分析室内试验和相关研究中水动力条件、扩散边界层厚度及氧通量的关系,发现扩散边界层厚度与Batchelor尺度呈正相关关系,拟合结果表明可以用Batchelor尺度近似表示扩散边界层厚度;氧通量与扩散边界层厚度呈负相关关系,且当扩散边界层厚度小于0.5 mm时,扩散边界层厚度变化对氧通量影响更强烈,当厚度大于0.5 mm后,氧通量基本保持稳定。     

点源入渗土壤水分运动规律实验研究

由不同质地土壤的点源入渗实验，得出了在不同滴头流量情况下，实际滴灌可以形成两种入渗边界，边界一是非充分供水点源入渗边界；边界二为变边界积水点源入渗边界。本文对两种边界条件特点及其滴头流量、灌水时间、湿润锋、含水量分布等之间的关系进行了分析，认为湿润比可以作为确定滴灌灌水参数的指标之一，对于实验滴灌的适宜湿润比以小于1.0为宜。     

Method of coupling 1-D unsaturated flow with 3-D saturated flow on large scale

A coupled unsaturated-saturated water flow numerical model was developed. The water flow in the unsaturated zone is considered the one-dimensional vertical flow, which changes in the horizontal direction according to the groundwater table and the atmospheric boundary conditions. The groundwater flow is treated as the three-dimensional water flow. The recharge flux to groundwater from soil water is considered the bottom flux for the numerical simulation in the unsaturated zone, and the upper flux for the groundwater simulation. It connects and unites the two separated water flow systems. The soil water equation is solved based on the assumed groundwater table and the subsequent predicted recharge flux. Then, the groundwater equation is solved with the predicted recharge flux as the upper boundary condition. Iteration continues until the discrepancy between the assumed and calculated groundwater nodal heads have a certain accuracy. Illustrative examples with different water flow scenarios regarding the Dirichlet boundary condition, the Neumann boundary condition, the atmospheric boundary condition, and the source or sink term were calculated by the coupled model. The results are compared with those of other models, including Hydrus-1D, SWMS-2D, and FEFLOW, which demonstrate that the coupled model is effective and accurate and can significantly reduce the computational time for the large number of nodes in saturated-unsaturated water flow simulation.     

土壤溶质运移的边界层运动

本文以半无限土壤溶质运移的对流——弥散方程为例研究边界层运动规律。运用Laplace变换方法推导土壤溶质运移的边界层方程。数学分析表明边界层上溶质通量假设对于计算边界层运动距离和溶质浓度是可行的。边界层运动方程的一个重要应用是估算溶质运移参数，这个估算参数方法在数学上更简单、信息利用更全面，是一个值得研究和发展的新方法。     

Numerical simulation of thermal convection of viscoelastic fluids in an open-top porous medium with constant heat flux

This paper makes a numerical study of the buoyancy-driven convection of a viscoelastic fluid saturated in an open-top porous square box under the constant heat flux boundary condition. The effects of the relaxation and retardation times on the onset of the oscillatory convection, the convection heat transfer rate and the flow pattern transition are investigated. It is shown that a large relaxation time can destabilize the fluid flow leading to an early onset of the thermal convection and a high heat transfer rate, while a large retardation time tends to stabilize the flow and suppress the convection onset and the heat transfer. After the convection sets in, the flow bifurcation appears earlier with the increase of the relaxation time and the decrease of the retardation time, resulting in more complicated flow patterns in the porous medium. Furthermore, with the increase of the ratio of the relaxation time to the retardation time, the fluid may be blocked from flowing through the open-top boundary, which may be caused by the viscoelastic effect. Finally, the comparison of our results with those under isothermal heating boundary conditions reveals that the heat transfer rate corresponding to a constant heat flux boundary is always higher.     

层状土壤条件下地下滴灌水氮运移模型及应用

基于土壤水分运动的动力学方程和溶质运移的对流-弥散方程,考虑地下滴灌灌水器流量随时间的变化,建立了层状土壤地下滴灌施用硝酸铵(NH4NO3)条件下水氮运移的数学模型。利用均质砂土(S)、均质壤土(L)、上砂下壤(SL)和砂土夹层(LSL)四种土壤的试验数据对模型进行了验证。结果指出,考虑土壤中灌水器流量随时间变化可稍改善土壤含水率和硝态氮的模拟精度。利用验证后的数学模型研究了灌水器流量(1.1、1.75和2.6L/h)、灌水器与犁底层相对位置对地下滴灌水氮分布的影响,模拟结果表明灌水器流量对含水率分布的影响不明显,但灌水器流量的增大可明显增加20~40cm土层硝态氮含量;灌水器与犁底层相对位置对水氮分布影响显著,灌水器位于犁底层中(埋深25cm)土壤表层干土层较薄、水氮向下运移深度较小,有利于减小土壤蒸发和避免水氮淋失。     

非线性波浪绕射问题的数值计算

本文给出非线性波浪绕射问题的计算模型,并用时间步进和边界元法求解。该模型能适用于严重非线性情形,且能满足初始条件和辐射条件。作为对该模型的检验,我们对孤立波绕过穿刺水面的直立圆柱的算例进行了计算,并同Isaacson的解析解、李宝元的差分解进行了比较,结果吻合很好。此外我们还用数值方法同时模拟造波机造波和求该波与直立圆柱的相互作用。结果表明,数值波浪水池能够以尽可能短的暂态过程,模拟波浪与物体的相互作用,提供良好的初始条件。数值波浪水池还能用于任意水深、任意水底形状下的相互作用问题。本文的计算模型和算法具有机时省,计算稳定的优点。     

处理二维浅水流动中动边界问题的淹没节点法

针对浅水流动中的动边界问题，本文设计一种淹没节点方法，根据网格单元各节点的被淹没情况，即单元水面高程和各节点高程的差值，对单元平均水深和单元界面处平均水深进行修正，运用高精度无振荡的FDS格式和有限体积法求解含有动边界的二维浅水方程。除对单元水深和界面水深进行修正外，离散方程形式与传统方法相同，实现过程简单。应用该方法对两个典型算例进行了数值模拟，模拟结果分别与其他学者的模拟结果和精确解高度吻合。表明本文方法精度较高、实现过程简单、可以有效解决浅水方程的间断、动边界和河床起伏问题。     

OBLIQUE WATER WAVES IMPACTING ON A THIN POROUS WALL WITH A PARTIAL-SLIPPING BOUNDARY CONDITION

When an incoming water wave is parallel to a porous breakwater,a paradoxical phenomenon exists in that by strictly following the potential flow boundary condition of normal flux continuity on the interfaces,the water wave permeates the wall completely,regardless of breakwater porosity.To account for this paradoxical phenomenon when solving the problem of water waves obliquely impacting on a thin porous wall,a new partial-slipping boundary condition on the thin porous wall for potential flow is proposed.Analytical results show that when the water wave is parallel to a thin porous wall(i.e.,the incident angle equals to 90o) ,the transmitted wave side remains quiescent,i.e.,the transmitted wave side does not capture any wave energy when no viscous effect exists.This reveals that the above-mentioned paradoxical phenomenon disappears.The viscous boundary layer effect is also investigated in this study,which provides proper boundary conditions on a thin porous wall for viscous flows and detailed flow information.     

Time domain simulations of radiation and diffraction by a Rankine panel method

The radiation and the diffraction of a ship with a forward speed are studied by using a time domain Rankine panel method. The free surface conditions are linearized onto an undisturbed free surface based on the double body flow. The linearized body boundary condition is applied on the mean wetted hull surface. The fluid domain boundary is discretized by a collection of quadric panels. The unknown quantities, including the free surface elevation, the normal flux over the free surface and the potential on the fluid domain boundary, are determined at each time step. The numerical results are compared with experimental data and other numerical solutions, showing satisfactory agreements.