波浪—水流共同作用下的紊动边界层数值分析

本文利用k-ε方程求解了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊流边界层的紊动结构。分析的结果表明：在边界层内，波浪和水流的耦合运动不是简单的线性迭加，而是呈非线性特性。波浪的存在在很大程度上影响了水流的流速分布，然而，水流对波浪的流速分布影响却很小。数值解与实验结果吻合较好，在不引入涡层粘度假设的情况下，给出了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊动边界层的结构特性。     

斜向波浪作用下海底管线周围水动力特性数值研究

管线周围的水动力因素是管线冲刷的主要原因之一。基于OpenFOAM开源程序,结合改进后的速度入口造波法,建立三维波浪数值水槽,耦合分离涡紊流模拟方法,对管线周围水动力特性进行研究。分析了波浪入射角为30°、45°、60°和90°和KC数为5、8和11的波浪作用下,管线周围的流场结构进行分析,探讨入射角和KC数对管线周围水流结构的影响规律。结果表明:波浪作用下,入射角和KC数对管线周围水流结构具有较明显的影响。且随入射角增大,管上表面水流分离现象明显,管后正负涡量相邻分布的特征减弱;随KC数增大,管线附近涡量分布范围增大,正负涡量逐渐分离。     

波浪作用下涡动沙纹床面的悬沙运动数值研究

作者建立了波浪作用下的立面二维水沙数值模 型，并对涡动沙纹床面的悬沙运动进行研究。结果表明：悬沙颗粒的沉降速度较小时，其运 动受到涡动力特性的影响比较显著。而且在沙纹波峰断面和沙纹波谷断面，半个周期里都可 以观察到两个悬沙分布的峰值，主要是由于流动分离形成分离涡，涡运动携带泥沙颗粒而出 现峰值。计算成果在一定程度反映了涡动结构对悬沙运动的影响。     

含植物水流动力特性研究进展

鉴于植物与水动力之间复杂的相互作用过程,从植物对水流的阻力作用、植物引起的紊动作用以及植物对波浪的消减作用三方面,综述了国内外含植物水流动力特性研究进展,总结了不同水动力条件下含植物河道Manning系数、拖曳力系数与植物特性之间的定量关系,讨论了植物引起的纵向流速垂向分布和紊动强度变化以及植物在海岸带波浪消减中起到的作用。针对目前含植物水流动力特性研究中存在的不足,指出植物拖曳力系数、含植物水流紊动特征、植物-水流-波浪耦合作用机理为今后研究的重点。     

波浪-水流相互作用模型

从N-S方程入手推导并建立了波浪和水流相互作用数学模型。该模型耦合了波浪和水流之间的相互作用因素，统一描述了波浪、水流流场在波流边界层内、外的变化规律，同时引入了k-ε紊动模型封闭了方程。模型结果与实验数据比较结果表明，所建立的波浪水流全流场模型能很好地反映波浪、水流之间的相互作用特性。     

长江口潮滩浅水区域流速与含沙量的关系初析

潮汐条件下的水流挟沙能力模型必须考虑波浪和潮流的共同作用，模型的形式比较复杂，且在水深很小的潮滩浅水区域不能适用。笔者改进观测手段，获得了水深0．1—2．0m的水动力过程与含沙量变化过程，根据实测资料，经过深入分析，判断出波浪、潮峰等因素对含沙量的影响轻微，提出了长江口潮滩适合浅水区域的水流流速与含沙量的模型，该模型符合传统动力模型的基本原理，并得到了较好的验证。     

波浪和水流共同作用下水流时均流速分布

近年来的实验研究表明波流同向与波流逆向时的平均水流流速分布规律相差很大，这些差别是由波浪、水流共同作用所造成的。同时，研究波浪水流共同作用下的水流流速特性对揭示波流相互作用机理也非常关键。本文在建立波流边界层模型的基础上，建立了二维全水深波流数学模型，求解了波流共同作用下边界层内外的流翅构。数值模拟的结果表明：波流同向时上层Euler时均流速减小，波流逆向时上层Euler时均流速增大，数值结果与实验数据有较好的一致性。本文模型的结果较好地解释了波流相互作用的机理。     

河流海岸研究所

河流海岸研究所（河港研究所）是国内最早从事潮汐、波浪及河流动力和泥沙模型试验,首家进行不规则波试验,首次进行不稳定流流域防洪试验、潮汐泥沙和潮汐水流中污染扩散等试验的单位,在国内首创了全沙模型及波浪和潮流共同作用下的浑水动床泥沙模型相似律,在泥沙运动规律、物理模型相似理论和试验技术等方面具有较高水平,尤其是在泥沙物理模拟技术上处于国际领先地位。     

波、流共同作用下浑水动床整体模型的比尺设计及模型沙选择

目前应用动床模型同时复演波浪、潮流及泥沙运动研究成果甚少，本文结合某港外航道泥抄回淤问题．根据波、流共同作用下水动力相似要求，进行模型设计和模型抄选择。文中对有关相似理论和试验方法进行了探讨。     

孤立波作用下珊瑚礁海岸附近流动特性研究

该文通过基于大涡模拟的三维数值模型研究了孤立波作用下珊瑚礁海岸附近的流动特性,考虑了两种礁坪水深的情况,通过物理模型实验对比验证了礁面上自由液面的空间与时间变化以及流速的时间变化,并运用数值结果进一步分析了流场和涡量场的沿礁变化规律。结果表明:该数值模型能合理地模拟不同礁坪水深下孤立波的浅水变形、破碎和滚波的运动以及波生流的变化。波浪破碎时礁坪上水流由亚临界流向超临界流转变,随后流速沿礁衰减。泻湖内的流速变化不再显著,波浪破碎伴随着强烈的水体涡动,涡动随着滚波的沿礁衰减而逐渐耗散,泻湖中的涡动几乎可以忽略不计。礁坪水深的增大显著降低了礁坪上的涡动强度。     

WAVE BOTTOM LAYERS DYNAMIC WITH SUSPENDED SEDIMENT OVER VORTEX RIPPLES

Vortex ripple is widely formed in the coastal region, and the dynamic of vortex is quite important because it is responsible for sediment transport. The flow structure around the vortex ripples can be modeled as 2D flow due to the geometry of the flow boundaries. In this paper, 2D Large-Ed-dy-Simulation (LES) method was used to predict the flow structure and the dynamic of vortex in the bottom layers under the action of the wave, the numerical simulation results show a completely process of vortex formation, evolvement and disappearance. Based on the study of flow structure, the suspended sediment transport was modeled in present paper. The simulated sediment concentrations were compared to measurements from the literature. The agreement between the time averaged simulated concentration profiles and measurements is satisfactory. For a high setting velocity, the suspended sediment is confined to the vicinity of the bed, and it is dominated by the local bottom shear stress. For a small setting velocity, the suspension is more dominated by the characteristic of vortex. There are two suspended sediment transport peaks observed in the cross-section at the trough and crest in the half period, the second peak is due to the separation bubble taking the sediment.     

NUMERICAL STUDY FOR EVOLUTION OF COHERENT VORTEX IN UNIDIRECTIONAL OSCILLATORY BOUNDARY LAYER OVER SAND RIPPLES

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＳｈｅａｒｆｌｏｗｓｐａｓｔｗａｖｙ ｌｉｋｅｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｈａｖｅａｔ ｔｒａｃｔｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｂｅ ｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｒｏｌｅｔｈｅｙ ｐｌａｙｉｎｓｅｖｅｒａｌｉｎ ｔｒｉｇｕｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ,ｓｕｃｈａｓｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｗａｖｅｓｏｎｗａｔｅｒ ,ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔａ ｒｙｒｉｐｐｌｅｓａｎｄｄｕｎｅｓｉｎｄｅｓｅｒｔｓａｎｄｒｉ…     

3-D numerical investigation of the wall-bounded concentric annulus flow around a cylindrical body with a special array of cylinders

Concentric annulus flow around a combinational cylindrical body with a special array of cylinders at five high Reynolds numbers is investigated numerically using Fluent 6.3.26 in this paper. The numerical results show a good agreement with the experimental data in regard to the axial velocity of the flow. This study focuses on the flow structure and the hydrodynamic characteristics based on the velocity distribution, the pressure distribution, streamlines and vectors under 1-D, 2-D and 3-D conditions. Meanwhile, some global parameters including the pressure coefficient, the drag coefficient and the lift coefficient are analyzed. Numerical results show that the high velocity region and the reverse wake zone with low velocity exist in some spaces due to the disturbance of the cylindrical body. Negative pressures appear in some regions. Neither a wide area vortex nor the vortex shedding appears in the wall-bounded domain. The drag along the axial direction is the main force acting on the cylindrical body in the pipe domain. The annulus flow around the cylindrical body is analyzed to reveal the hydrodynamic characteristics of the complex turbulent concentric annulus flow field due to the multi-effects in the pipeline.     

耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中的应用

作者针对近岸波浪与结构物相互作用问题提出了一种耦合数值方法，即用时均化的二维雷诺平均的Navier stokes方程-流体体积法模型表达内域流动，用一维Boussinesq方程表达外域流动，通过速度、压力和波面匹配边界条件实现两种数值模型的同步求解。耦合模型中的二维子模型能够较好地表达结构物附近流动的细部特征，包括漩涡结构；一维子模型的计算效率很高，可通过延长其计算域以达到有效地避免二次反射波的影响。所建立的耦合数值模型被证实可应用于幕墙式消浪结构防波性能的研究。     

粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟

该文采用格子玻尔兹曼(LB)方法建立了紧密排列颗粒粗糙床面振荡紊流边界层模拟的三维数学模型。收集粗糙床面波浪水槽实验结果,对水槽实验条件下的振荡流边界层进行模拟,模拟得到的平均流速、紊动特性、等效粗糙高度、摩阻系数和边界层厚度等与实验结果进行了全面对比,并对三维涡旋结构进行了分析。结果表明,所建立的LB数学模型可以合理模拟粗糙床面振荡流边界层流动,能够反映三维涡旋特性,可进一步应用于粗糙床面振荡流紊动特性以及床面粗糙参数的研究。     

环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析

为研究海上风电结构在复杂的海洋环境中承受环境荷载(风、波、冰、流)的联合作用时,结构产生的剧烈的动力响应问题。文章以三脚架基础海上风电结构为研究对象,采用ANSYS有限元软件建立其整体模型并进行荷载(风、波、流和风、冰、流)联合作用下的静力校核,通过对环境荷载联合作用下的三脚架基础海上风电结构进行瞬态分析,掌握其动力响应的特性及规律。结果表明:三脚架基础结构的一、二阶自振频率均为0.285Hz,在所选风机允许的频率范围内,可以保证整体结构不会与风机转动发生共振;风荷载在风、波、流荷载联合作用下主导控制结构响应的稳态波动,冰荷载在风、冰、流荷载联合作用下主导控制结构的稳态振动过程;塔筒顶端呈现的位移和加速度响应均远大于三脚架基础顶端;环境荷载联合作用下结构动力响应是环境荷载单独作用下动力响应叠加的结果。     

A STUDY OF OSCILLATING FLOWS OVER PROPAGATING RIPPLES:PART Ⅱ. VORTICITY DYNAMICS

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＡｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｂａｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｔｈｍｏｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｅｄｎｅａｒａｓａｎｄｂｅｄｂｙ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｇｒａｖｉｔｙｗａｖｅｓｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒｕｓｕａｌｌｙｇｉｖｅｓｒｉｓｅｔｏｎｅａｒｌｙｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｂｅｄ ｆｏｒｍｓｃｏｍ ｍｏｎｌｙｋｎｏｗｎａｓｒｉｐｐｌｅｓ .Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｆｌｏｗｓｏｖｅｒｐｅｒｉｏｄｉｃｒｉｐｐｌｅｓａｒｅｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌａｓｗｅｌｌａｓｓｃｉ ｅｎｔｉｆｉｃ…     

3-D simulation of transient flow patterns in a corridor-shaped air-cushion surge chamber based on computational fluid dynamics

The 3-D characteristics of the water-air flow patterns in a corridor-shaped air-cushion surge chamber during hydraulic transients need to be considered in the shape optimization. To verify the reliability of the water-air two-phase model, namely, the volume of fluid model, the process of charging water into a closed air chamber is successfully simulated. Using the model, the 3-D flow characteristics under the load rejection and acceptance conditions within the air-cushion surge chamber of a specific hydropower station are studied. The free surface waves, the flow patterns, and the pressure changes during the surge wave process are analyzed in detail. The longitudinal flow of water in the long corridor-shaped surge chamber is similar to the open channel flow with respect to the wave propagation, reflection and superposition characteristics. The lumped parameters of the 3-D numerical simulation agree with the results of a 1-D calculation of hydraulic transients in the whole water conveying system, which validates the 3-D method. The 3-D flow structures obtained can be applied to the shape optimization of the chamber.     

应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(1)二维后向台阶流的旋涡结构的研究

利用PIV技术，对二维后向台阶定常流的瞬态速度场进行了测量，得到层流至湍流情况下定常流流场中旋涡的生成、发展和演化的现象和规律。本文分析了各种情况下旋涡结构特点、讨论了与时均流场和自由剪切层的区别，还给出了二维后向台阶流的拓扑结构。