畸形波数值模拟和定点生成

采用David L等人提出的数值模拟产生畸形波的方法,以Longuet-Hinggins模型为基础,利用一个基本波列和一个瞬态波列线性叠加模拟波面,在很短的波列中得到畸形波,从而使模拟畸形波的效率提高。得到的畸形波畸形程度较高,并且可以控制畸形波出现的时间和地点。用该方法模拟实测畸形波并与其进行对比验证,结果表明模拟产生的畸形波和实测畸形波吻合良好。以此方法为基础,在实验室内物理产生畸形波将更加具有可操作性。     

数值模拟生成畸形波的一种新方法

通过理论分析和数值模拟,结果证明利用Longuet-Hinggins模型可以得到包含畸形波的随机波列,但在组成波的初相位随机分布的条件下,畸形波发生的概率很低且其畸形程度较小。调整组成波的初相位,增加具有相同初相位的组成波个数,可增大畸形波发生的概率,而且所得畸形波的畸形程度也相应增大。将模拟得到的畸形波与实测畸形波进行了比较,发现它们的波形很相似,表明这种模拟方法是可行有效的。     

基于OpenFOAM波浪-植物相互作用的数值模拟研究

海岸带盐沼植物能够减小波浪流速、削弱波能,具有生态缓冲功能,研究河口海岸盐沼植物对波浪的消减机理对于近岸区域的固岸护堤具有重要意义.本研究利用开源CFD软件包OpenFOAM建立三维数值模型.首先模拟了溃坝波越过三角障碍物及孤立波在斜坡海岸的爬坡过程,结果显示OpenFOAM模型可精确地捕捉溃坝波传播和孤立波自由水面的...     

利用波浪频谱数值模拟畸形波的方法探究

畸形波是一种特殊的波浪,它的波高极高,波峰尖瘦,能量很集中[1].图1是一个比较典型的畸形波[1],这个波列的有效波高是5.65 m,而其中的畸形波波高是有效波高的3.19倍,达到了18.04 m,波峰的高度是13.90 m,波的周期是9.8 s,畸形程度很大.最有名的畸形波是图2给出的1995-01-01-15:20在北海Draupner石油平台记录的波高25.6m的“新年波”,1 200 s长的观测记录显示当时的有效波高是11.92 m,波峰的高度达到18.4 m.由水深70 m,畸形波的特征周期12 s,根据线性色散关系得出波长为220 m.     

高阶谱方法建立三维畸形波聚焦模拟模型

三维波浪方向聚焦是畸形波形成机理之一.为了模拟和分析这一现象,在势流理论内基于改进的高阶谱(HOS)方法,给出了时空聚焦方式生成畸形波的三维波浪模型.利用满足周期性边界条件的具有不同频率、不同传播方向的各独立组成波,分隔了计算域内的能量;使各组成波采用等振幅能量分布的形式,聚焦模拟了实验尺度畸形波;把高阶谱方法拓展到大尺度的开敞海域,考虑波浪方向分布的影响,聚焦模拟了大尺度畸形波的发展和形成过程.     

多方向不规则波传播变形数值模拟

在推广的缓坡方程数学模型基础上建立了多方向不规则波数学模型,综合考虑了波浪折射、绕射、反射、底摩擦和风能输入等因素。基于线性波浪理论,将波浪方向谱在频率和方向上按等能量分割法离散后,分别计算各组成波的传播变形,再计算合成波要素。缓坡方程数学模型采用改进的ADI法求解,计算效率高,稳定性好。采用椭圆形浅滩不规则波模型试验结果和单突堤不规则波绕射理论解对数学模型进行了验证,数值模拟结果和试验值及理论解符合良好。利用该模型进行了某港港内波浪折射、绕射和反射的联合数值模拟,给出了合理的港内波高分布。     

畸形波传播速度实验和数值模拟研究

畸形波的传播速度是其最重要的特征参数之一。研究畸形波的传播速度有助于深入和全面了解畸形波的生成机理及其演化过程,另外还可以用于畸形波的预报。针对现有关于畸形波传播速度计算方法(高阶Stokes波理论近似估算,Hilbert变换和两固定点的距离除以畸形波的波峰经过两点所用时间)的不准确性和局限性,使用32个测点描述畸形波波峰沿波浪水槽的运动轨迹,再用回归分析法估算波峰运动轨迹与时间的相关关系,从而计算出畸形波的传播速度。基于288组物理模拟畸形波和364组数值模拟畸形波传播速度的计算结果,使用回归分析方法得出了畸形波传播速度的半经验半理论计算公式,同时还分析了畸形波传播速度的强非线性特征。     

基于非线性模型的畸形波模拟及其时频能量谱研究

采用VOF(volume offluid)方法实现了畸形波的数值模拟.将数值结果与线性理论(方程(5))计算结果进行了对比,发现数值模拟结果更能够反映非线性特征.使用小波分析方法研究了畸形波的时频能量谱,发现形成畸形波的过程中存在很强的波浪非线性相互作用,使得波浪的能量向高频端转化.变水深地形可以加强波浪的非线性相互作用.使得转化到高频端的能量更多,产生畸形程度更大的畸形波.     

基于物理造波和主动消波的黏性数值波浪水槽开发

基于推板造波理论和摇板造波理论,在Open FOAM平台上采用重叠网格技术建立黏性数值波浪水槽,并使用一种结合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法对数值模型进行求解。利用开发的数值模型通过数值收敛性测试和网格独立性测试分别重点研究了时间步长、库朗数和网格尺寸对数值精度和计算效率的影响。并对比研究了此数值模型分别嵌入层流模型和湍流模型的计算精度和计算效率。实现的规则波和二阶有限振幅波与理论结果和试验结果吻合,验证了此黏性数值波浪水槽的造波和主动消波功能。基于二维数值波浪水槽,进一步研究了三维数值造波,数值计算结果与理论结果吻合良好。研究结果不仅验证了重叠网格在二维和三维两相流体域中求解运动物体与流场交互的可靠性和正确性,而且为使用此黏性数值波浪水槽解决更复杂的海洋工程问题提供了依据。     

任意水深变化水域非线性波数值模拟

为了较为准确地计算沙质海岸沿岸输沙率,基于网格模型建立沙质海岸波浪的传播变化模型,根据求得的波高和波向分布特征,并考虑辐射应力等,计算波生流的分布。并在此基础上通过波浪最大底部轨道速度和沿岸流的分布特点,建立估算破波带内各网格单元上沿岸输沙率的分布模型。     

Numerical simulation and mechanism analysis of freak waves

A numerical wave model based on the modified fourth-order nonlinear Schroe dinger equation(mNLSE) in deep water was developed to simulate the formation of freak waves and a standard split-step,pseudo-spectral method was used to solve the equation.The validation of the model is firstly verified,then the simulation of freak waves was performed by changing sideband conditions,and the variation of wave energy was also analyzed in the evolution.The results indicate that Benjamin-Feir instability(sideband instability) is an important mechanism for freak wave formation.     

用ＯｐｅｎＦＯＡＭ 实现数值水池造波和消波

基于OpenFOAM求解器interDyMFoam,开发实现数值水池造波(包括推板和摇板造波)和阻尼消波。所编写的造波边界条件,可依据实验造波理论将各种造波模式植入其中,从而实现各种波的数值造波。首先进行了线性波的数值造波实验,通过结合阻尼消波段的应用,造波水池可提供稳定的线性波。还进行了瞬时极限波和有限振幅的数值造波实验,与实验数据或同类数值结果吻合很好,进一步验证了的数值造波和消波方式的可靠性。     

三维随机海浪的数值模拟

本文首先分析了三维随机海浪的方向谱函数和三维随机海浪的数学模型,然后在ＭＡＴＬＡＢ环境下设计了数值模拟程序,并模拟出三维随机海浪的方向谱和三维随机海浪的三维空间模型。     

随机波浪中畸形波在三维岛礁地形上的试验研究

在试验水池中,开展了波浪在岛礁地形上演化问题的研究。首先在实验水池中建立了西太平洋某岛礁地形的模型,然后采用改进的JONSWAP谱,由造波机产生不同周期、波高的随机波浪。试验中观察到了不同类型畸形波生成的过程及不同波面形态的畸形波。对偏度、峰度及水深与畸形波要素H_m/H_s（H_m表示波列中的最大波高, H_s为有效波高）的关系进行了详细的分析,同时,对畸形波波高H_fr与偏度的关也进行了分析。通过对试验结果分析,发现峰度与畸形波要素i>H_m/H_s呈正相关, H_fr增大时相应的偏度也会呈现增大的趋势。此外,水深的变化剧烈时（如斜坡、海山位置）有助于畸形波的发生。     

A CIP-based numerical simulation of free surface flow related to freak waves

An enhanced numerical model for simulating two-dimensional incompressible viscous flow with distorted free surface is reported. The numerical simulation is carried out through the CIP （Constrained Interpolation Profile）-based method, which is described in the paper. A more accurate interface capturing scheme, the VOF/WLIC scheme （VOF：Volume-of-Fluid;WLIC：weighed line interface calculation）, is adopted as the interface capturing method. To assess the developed algorithm and its versatility, a selection of test problems are examined, i.e. the square wave propagation, the Zalesak’s rigid body rotation, dam breaking problem with and without obstacles, wave sloshing in an excited wave tank and interaction between extreme waves and a floating body. Excellent agreements are obtained when numerical results are compared with available analytical, experimental, and other numerical results. These examples demonstrate that the use of the VOF/WLIC scheme in the free surface capturing makes better results and also the proposed CIP-based model is capable of predicting the freak wave-related phenomena.     

畸形波作用下双层水平板防波堤压力分布特性研究

基于物理模型试验,考虑畸形波参数、相对板宽、相对波高等影响因素,就畸形波对平顶双层水平板防波堤作用进行研究。首先对畸形波作用下双层水平板的波浪力分布特征进行了讨论,然后就最大波动压强、结构最大总垂向力与不规则波作用进行了对比分析。结果表明,畸形波作用下,双层水平板最大波动压力出现在前端迎浪区域附近,向尾端逐渐递减。双层水平板4个受力面的压力分布不同且有相位差,4个受力面的最大波动压力时间差约在0.1T_p~0.4T_p范围内变化。与不规则波作用比较,畸形波作用没有显著改变波压包络分布特征,但增大了波压包络强度值。试验范围内,就最大总力而言,两者最大总浮托力比值在1.06~2.45间变化;向下的最大总垂向力比值在1.22~2.07之间变化;就波动压力而言,其增大的幅度与畸形波参数α₁相关性最强,随α₁的增大而增大,在α₁=2.04~3.1试验范围内,畸形波作用时的最大压强比不规则波作用时可约增大20%~80%。就最大波吸力而言,两者的比值与畸形波参数α₄相关性最强,随α₄的增大而减小。在α₄=0.62~0.75试验范围内,最大波吸力强度的比值在1.61~0.87范围内变化。当α₄≤0.72时,畸形波作用时的最大波吸力大于不规则波作用时的最大波吸力;当α₄ > 0.72时则刚好相反。