陡坡上孤立波爬高的数值模拟

波浪爬高是海岸工程中重要的水动力学问题之一,其数值模拟方法通常是通过离散Navier-Stokes方程或Boussinesq方程实现的,其中基于光滑粒子流体动力学方法是近年发展起来的。本文应用该方法模拟相同水深下,不同波高的孤立波在45(°)陡坡上的爬高,模拟结果与理论计算结果及已有物理模型试验结果进行了对比,并模拟出孤立波激散破碎过程及粒子分布和速度场的变化过程。结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,说明光滑粒子流体动力学法在波浪爬高计算中的有效性。     

孤立波爬坡的二维数值模拟

波浪在滩地上以及遇海岸工程后传播发生变形、爬坡等现象,对其进行数值模拟具有广阔的工程应用背景.应用基于Boltzmann方程的KFVS(kinetic flux vector splitting)格式求解二维浅水方程,同时采用干底Riemann解模拟动边界问题.模型模拟了孤立波在滩地上传播变形、爬坡的过程,以及孤立波在滩地上遇圆柱后绕射、变形和爬坡的过程.计算结果与实验结果非常吻合,表明模型具有较大的推广应用价值.     

实验室造波条件对内孤立波发展影响的直接数值模拟

内孤立波具有振幅尺度大、能量集中的特点,其引起流场和密度场的迅速变化可能对海洋工程结构物以及水下潜体造成严重威胁。因此研究不同造波条件下生成的内孤立波运动的流场特征具有重要的学术意义和实际应用价值。采用直接数值模拟方法和给定的初始密度场密度跃迁函数,对重力塌陷激发内孤立波的运动过程进行研究,探讨了不同造波条件下,激发产生的内孤立波波型、涡度、振幅和水平速度等流场特征。结果表明:(1)直接模拟数值方法能够模拟内孤立波传播过程中的密度界面波型反转现象;(2)从定性和定量的角度,证实了不稳定内孤立波传播过程中存在能量的向后传递;(3)对于相同的台阶深度(水闸两侧初始密度界面的高度差),初始涡流保持相同,但是随着上下层水深比的减小,其强度下降显著;(4)台阶深度对初始涡流的垂直结构的影响要大于上下层水深比,且台阶深度对内孤立波的振幅、水平速度的影响显著。     

局部微分求积法的深水包络孤立波数值模拟

利用局部微分求积法(LDQ)对非线性薛定谔(Schr dinger)方程进行数值求解,分别模拟了单深水孤立波运动,同向双深水孤立波追赶碰撞耦合运动,高阶孤立波振动和孤立波的反射与透射现象,得到各情况下的数值结果。从数值模拟及图像中揭示非线性薛定谔方程的性质和特点,阐述深水孤立波形成的物理意义、运动方式和运动规律,分析在不同初值条件下波形的变化特点,验证了LDQ法对该类问题的有效性。     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。     

Gerris在海洋大振幅内孤立波数值模拟中的应用

本文运用基于自适应网格的流体动力学开源软件Gerris,来建立基于Boussinesq近似下的二维不可压缩Euler方程组的数值模型,以模拟不同层化条件下稳定状态的完全非线性大振幅内孤立波。文中比较了完全非线性的用Gerris实现的Euler模型与弱非线性的KdV理论模型在刻画大振幅内孤立波结构及特征参数上的差异,说明在模拟大振幅内孤立波时,高阶非线性不应忽略。Euler模型模拟结果表明,完全非线性大振幅内孤立波的等密度面半宽度随深度变化,这使得基于KdV方程解析解、利用卫星SAR(Synthetic Aperture Radar)图像提取内孤立波极值间距来反演内波振幅的可行性存疑,需要重新评估。此外,本文用两组实测数据验证了用Gerris实现的Euler模型模拟大振幅内波的有效性。     

台湾岛东北海域潮致内孤立波二维数值模拟

现场观测和卫星遥感SAR图片均表明,台湾岛东北海域存在大量复杂的、无规则的内孤立波(列)。本文采用完全非线性非静力平衡的MITgcm模式,分别采用M2和K1分潮驱动,对该海域内孤立波的生成过程及其机制进行了二维数值模拟研究。研究揭示,该海域的内孤立波主要源于附近2个海槛处的潮地相互作用。正压潮流流经海脊时会激发内孤立波,潮流由退潮转换为涨潮时激发西向传播的内孤立波,由涨潮转换为退潮时则激发东向传播的内孤立波。通过对潮汐偏移及地形弗鲁德数的分析表明,内孤立波的产生机制是混合山后波机制。在海槛西侧,内孤立波在涨潮时向西传播,在落潮时受背景潮流的限制,西传速度明显减慢,甚至停滞;在海槛东侧,存在东传的第二模态内孤立波,并最终在向深海传播过程中逐渐消亡。本文设计了6个敏感性试验,以考察不同因子对内孤立波的生成和传播过程的影响。不同分潮驱动的数值实验表明,此区域的内孤立波主要是由半日分潮M2引起的,由于靠近全日分潮的临界纬度,单独的K1分潮不激发内孤立波。其他敏感性实验显示,海水层化对内孤立波的生成和传播有较大影响;科氏力对内孤立波的传播速度有一定的影响。     

基于FLUENT的海洋内孤立波数值水槽模拟

基于FLUENT商业软件及其二次开发功能,在标准κ-ε湍流模型下,采用VOF方法追踪两层流体内界面,通过给定入口速度和水位的设置造波边界法,建立了可有效模拟弱非线性内孤立渡的分层流数值水槽,并与仿物理的双板造波方法进行了比较.采用设置边界法所造的波形与理论值符合较好,这为数值分析内孤立渡与海洋结构物相互作用问题提供了一条更加有效的途径.     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程,并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料,模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征,同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征,即两波相交处相速随振幅的增大而变大。相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势。     

有限深两层流体内孤立波非线性数值模拟入口边界条件研究

基于有限深两层流体KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口边界条件,采用理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法。以系列数值模拟结果为依据,结合内孤立波非线性和色散参数的组合条件,给出了选择合适内孤立波理论解作为CFD数值模拟入口边界条件的方法,从而实现了振幅与波形可控的内孤立波完全非线性数值模拟。     

内孤立波作用下半潜平台荷载及其周围流场数值模拟研究

内孤立波对海洋平台的安全运行存在一定的威胁,基于三维数值水槽对内孤立波传播引起的半潜平台受力及其周围流场的分布进行了数值模拟研究.通过与试验对比,分析了入射波幅和分层流体深度比对半潜平台上内孤立波荷载特性的影响规律,验证了数值模拟结果是准确可靠的.研究表明,内孤立波引起的平台荷载会随着内孤立波波幅的增加而增大,随着分层流体深度比的增加而减小.基于对平台周围剖面速度场和三维涡场的演化规律研究,发现在内孤立波传播过程中,平台周围会出现明显的速度减小区,平台周围会有大量的漩涡产生并发生脱落现象.     

内孤立波波致流场数值模拟研究

基于KdV、mKdV理论,利用Fluent计算软件,采用"平板拍击"造波方法,进行内孤立波数值模拟,并与物理实验结果进行对比验证。利用数值模拟结果,分析内孤立波波致流场变化,结果表明:上下层流体中波致水平流速方向相反,均呈现先增加后减小的变化趋势,且波谷经过时刻流速最大;在波谷经过断面处,波致水平流速在上层流体中沿垂向分布无明显变化,在波面以下的下层流体中有衰减趋势,但衰减很小;两层流体界面与波谷之间存在过渡水深范围,水平流速在该水深范围内沿垂向衰减明显,且随内孤立波振幅的增大,过渡水深范围有所增大。     

内孤立波与深海立管相互作用数值模拟

提出了一种对内孤立波与深海立管相互作用耦合数值模拟方法。流场采用内孤立波数值水槽方法进行模拟,结构响应采用基于薄壳理论的有限元方法进行计算,采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的方法,实现了流体与固体之间的耦合数值模拟。对内孤立波作用下某长径比为1 200的深海立管载荷及其动力响应特性进行了数值模拟与分析。结果表明内孤立波不仅会对深海立管产生突发性剪切载荷作用,而且还会使立管产生大幅度变形响应现象,因此在深海立管设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。研究表明,该方法为研究内孤立波作用下深海立管动力特性及其工程预报相关问题提供了一种有效的手段。     

风作用下孤立波在珊瑚礁上传播变形机制数值模拟研究

基于二维不可压缩两相流模型建立了数值风浪水槽,采用SST k-ω雷诺时均湍流模型,研究了风作用下孤立波在珊瑚礁上的传播变形规律。将计算结果与实验数据对比,证明了该两相流模型计算孤立波在珊瑚礁上传播的准确性,并进一步分析了不同风速对珊瑚礁上孤立波传播变形的影响。结果表明：风的作用会使波面发生随机脉动特征。当地波高随风速的增大而增大;当地波高关于风速的变化梯度随入射波高的增大而增大。风的作用会加快孤立波的传播并且使孤立波提前发生破碎;孤立波开始破碎的位置随风速的增大向远离礁坪的方向移动。反射系数随风速的增大而增大;反射系数关于风速的变化梯度随入射波高的增大而减小;透射系数随风速的增大呈增大趋势。平底区波峰剖面同一水深处的水平流速随风速的增大而增大;且一定的风速不改变水平流速沿水深的变化梯度。有风时波面上方的矢量密度和大小均明显高于无风时且与风速呈正相关,并且波峰上方气流不再循环。随着风速的增大,水气交界面附近的正涡量和负湍流剪应力减小,负涡量和正湍流剪应力增大。水体动能、势能和总能达到高值的时间随风速的增大而减少;水体动能、势能和总能随风速的增大而增大,并且风速对水体动能的相对影响大于势能。     

基于InterDyMFoam的潜礁孤立波传播数值模拟

建立了基于OpenFOAM动边界的类fixedValuePointPatchVectorField继承的仿物理造波数值波浪水槽。对孤立波在三种不同潜礁地形上的行进、爬坡以及破碎等典型过程进行数值模拟,模拟结果与Boussinesq模型及物理模型试验所得结果进行了对比分析。结果表明,采用动边界进行仿物理造波更适合处理波高水深比较大的孤立波传播问题,可以较好地模拟孤立波在潜礁上传播引起的波浪破碎、水跃等现象。     

内孤立波过山脊地形演化实验研究

通过模型实验,研究了下沉型内孤立波通过山脊地形演化特征。实验以三角形障碍物模拟海底山脊地形,采用两种密度的分层水,对上层流体和下层流体的高度比、密度等进行了量化处理。实验研究表明:KdV理论波形可较好模拟本次实验内孤立波波形,但随着内孤立波振幅的增大,误差增加;在内孤立波与障碍物微量作用、中度作用和破波作用三种程度的相互作用中,内孤立波过障碍物具有不同的波形变化和主波能量衰减率。     

内孤立波的研究与数值模型

海洋内孤立波是一种特殊的内波,它能够长距离的传播而保持波形的基本不变。世界上很多海域都观测到了内孤立波的存在,我国南海也是内孤立波频发的典型海区。本文介绍了内孤立波的生成机制、南海内孤立波的研究现状并探讨了南海内波的源、最后介绍研究内孤立波所用的传播模型,认为建立水平二维的内孤立波传播模型具有重要的意义。     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟

提出基于双推板的内孤立波数值造波方法,对两层流体中内孤立波与潜体的相互作用进行了数值模拟,分析不同潜深下潜体所受的内孤立波载荷特性.结果表明,内孤立波对水下潜体的载荷作用是不可忽视的.特别地,当潜体位于内孤立波中时,其所受的垂向力要远比潜体位于内孤立波下时的大.