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.     

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.     

二维数值波浪水池中的潜体绕射试验

在摇板式造波机生成的二维数值波浪水池中进行了潜没圆柱的模拟绕射试验。先在频率域中确定造波机的运动形式 ,并在时间域中模拟摇板运动生成带有波前的高品质Stokes波的过程 ,作为入射波条件。数值造波和数值绕射试验采用边界积分方程的时间步进法 ,探讨了在自由面和板面交点处自由面条件与物面条件的相容性、开边界辐射面边界条件、时间与空间域上的数值离散方法等 ,得到了稳定、合理的波形和波浪力时域非线性结果 ,并与相应的频域二阶解的结果作了比较 ,证实了本数值波浪水池试验方法的适用性。     

白噪声不规则波与聚焦波的水池模拟

从推导造波板的运动规律出发,讨论了海洋工程水动力学试验中白噪声不规则波及聚焦波这2类非常规波浪在水池中的生成技术;基于实测谱修正与波谱相位聚焦,在海洋工程水池生成了品质较好的白噪声不规则波与聚焦波,并给出了这2种波浪在水池中的测试结果.通过边界元数值计算方法对水池模拟的聚焦波进行了验证.结果表明:采用所述方法可以在试验水池中生成品质较高的白噪声不规则波及聚焦波,从而为提高常规海洋工程水动力试验的精度,缩短试验时间及后续开展海洋工程平台在恶劣海况中生存能力的研究提供了技术依据.     

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。     

三维数值波浪水池技术与应用

建立了用于波浪-结构物相互作用数值模拟的三维数值波浪水池．应用VOF方法对粘性流动的基本方程进行数值求解并描述其自由表面，水池计算域的一侧使用数值造波机条件产生斜入射波浪，其下游开边界联合使用辐射条件和局部强迫衰减，侧向边界使用周期性条件使斜向波浪透过．数值试验表明，所建立的三维数值波浪水池产生和传播波浪具有良好的重复性和稳定性，应用于海洋结构物波浪荷载的确定也是可靠的．     

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。     

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.     

多向不规则波群传播的数值模拟

波群的模拟是与波群有关的数值和物理模型试验的前提。实际的波浪是多向的不规则波,为了在实验水池中模拟多向不规则波群,该文首先根据给定的波要素、群性参数和方向分布参数,给出了多向不规则波群的数值模拟方法,在此基础上利用有限元法求解改进的Boussinesq方程的数值计算模型,建立了数值水池在指定位置模拟所要求群性的多向不规则波的入射波浪边界条件的计算方法。典型算例表明:按照该文建议的方法确定入射波浪边界条件而建立的数值模型,可以在水池指定位置处产生满足给定群性要求的多向不规则波浪。此外,对多向不规则波群的传播进行了数值研究。     

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.     

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.     

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.     

基于曲边平面谱单元的弹性波传播分析

针对现有的谱单元多将单元几何边界考虑为直线或平面,对具有复杂曲线或曲面形状的结构几何离散近似误差较大,从而影响了弹性波传播分析精度的问题,推导了一种亚参数曲边平面谱单元,对单元几何形状采用二次插值,对位移场函数可采用高于二阶的任意阶插值,并讨论了一般高次曲边/曲面谱单元的推导方法. 以矩形平面结构中的波传播分析为例,对比了曲边谱单元、直边谱单元及常规有限元的数值模拟结果,验证了单元的有效性. 以具有曲线边界的圆环结构中的波传播分析为例,对比了采用曲边和直边谱单元数值模拟结果的差异. 结果表明,采用直边单元近似曲边结构,由于几何误差较大,弹性波传播分析结果误差较大;曲边单元能够获得更好的模拟精度.      

谱元方法求解波动方程及影响其数值精度的相关因素

为探讨波动方程的高精度数值模拟,采用Chebyshev谱元方法结合隐式Newmark时间积分方法求解波动方程.求解一个具体算例验证了数值方法的可行性,讨论了时间步长、Newmark因子以及计算区域的网格剖分方式对数值精度的影响.结果表明:和差分法相比,谱元方法求解波动方程具有所用网格节点少,数值精度高的特点;数值误差随时间步长减小而减小;在满足稳定性要求的前提下,数值误差随着Newmark因子的减小而减小;当总网格节点数相同时,不同的网格剖分方式所得数值误差不同.所述方法和结论可用于模拟声波在空气中的传播.     

An element by element spectral element method for elastic wave modeling

The spectral element method which combines the advantages of spectral method with those of finite element method, provides an efficient tool in simulating elastic wave equation in complex medium. Based on weak form of elastodynamic equations, mathematical formulations for Legendre spectral element method are presented. The wave field on an element is discretized using high?order Lagrange interpolation, and integration over the element is accomplished based upon the Gauss?Lobatto?Legendre integration rule. This results in a diagonal mass matrix which leads to a greatly simplified algorithm. In addition, the element by element technique is introduced in our method to reduce the memory sizes and improve the computation efficiency. Finally, some numerical examples are presented to demonstrate the spectral accuracy and the efficiency. Because of combinations of the finite element scheme and spectral algorithms, this method can be used for complex models, including free surface boundaries and strong heterogeneity.     

直接法与间接法求解固角系数的比较

为提高边界元方法在工程计算中的效率,研究直接法与间接法求解固角系数的优缺点.以边界积分方程方法模拟非线性数值波浪水槽为例,分别用直接法和间接法求解固角系数.经与五阶深水斯托克斯波波面结果相比,两种方法获得的结果均与解析解吻合很好.但采用间接法求解固角系数时,计算域必须是封闭的,即便在计算域末端布置阻尼层消波,出流边界也不能省略.同时,随着计算域的增大,间接法求解固角系数的计算量较直接法大.总之,直接法比间接法更加方便经济.