曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

基于曲线坐标系下缓坡方程模拟近岸波浪及波生流

为了更好地模拟曲线边界等不规则岸线附近,波浪传播及其破碎后形成的波生流问题,该文建立了正交曲线坐标下近岸波浪和波生流耦合数值模型;即采用可综合考虑近岸区波浪反射、折射和绕射等效应的双曲型缓坡方程计算波浪场,采用近岸深度平均的二维浅水方程计算波生流场,应用辐射应力的概念,使波浪模型为流场模型提供驱动力.波浪和波流模型基于相同的正交曲线网格,应用高效的ADI有限差分格式进行数值求解.将曲线坐标系下的耦合模型应用到半圆形水槽和凹型水槽两个物理模型中,数值模拟的结果分别和解析解、实验值及已发表的数值结果做了比较.模型实验验证表明,该文建立的数值模型比较准确、有效,可以应用到防波堤和河口等具有复杂边界和复杂地形的实际海域.     

黄茅海潮流波浪计算分析

采用海岸工程水动力学数学模型对黄茅海潮流场及波浪场进行了计算.潮流计算中利用水平方向上的曲线正交坐标与垂直方向上的Sigma坐标相结合以及三维模型二维化的方法,波浪计算采用双曲型缓坡方程,并引入改进型的非线性弥散关系,从而能反映波浪的非线性效应.计算结果与实测结果比较表明：模型能较好地复演黄茅海潮流及波浪场,可以用于工程实际中沿岸及河口湾潮流波浪场问题的计算.     

波浪Boussinesq方程与缓坡方程的比较

分析、比较了近岸浅水波浪传播变形的Boussinesq方程和缓坡方程的形式与特点,建立了包含底摩擦能耗效应、波浪破碎效应和子网格效应的Boussinesq方程波浪数学模型,并介绍了处理动边界问题的窄缝法以及处理消波边界的海绵层技术．采用经验非线性色散关系,结合含非线性项的缓坡方程,得到考虑非线性作用影响的缓坡方程模型．用物理试验结果对两种模型进行验证,并用相关性分析方法对两模型的计算精度进行了分析与说明．     

水流对立柱周围波浪爬升特性的影响

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和连续性方程建立适用于波浪与水流相互作用的三维数值波浪水池,并在该数值波浪水池内对立柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟;选用不同的波流组合方式,探讨了水流速度对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响,并与波浪单独作用时立柱周围的波浪爬升情况进行对比,分析了水流对柱体周围波面的扰动和水质点运动轨迹的影响.同时,对波浪单独作用下,立柱近壁面处的波浪爬升效应进行了模型试验,以验证数值计算结果的准确性.结果表明,其计算值与试验值吻合较好.     

规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动模拟与特性分析

采用MMG分离模型的思路,在船舶六自由度操纵性运动方程中叠加波浪垂荡力和纵摇力矩,构成波浪中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合动力学模型,用来模拟规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动特性。其中的波浪力由切片法计算,船舶航向保持采用PD控制模式。采用耦合动力学模型计算了某船在规则波中保持航向时的垂荡、纵摇运动,并与试验结果进行了比较。两者的幅频曲线形式上基本一致,间接证明了耦合动力学模型的有效性。进而采用该模型计算了该船在不同浪向角和航速下保持航向稳定的垂荡、纵摇运动,以垂荡、纵摇等值极坐标曲线形式表征了船舶规则波浪中操纵与垂荡、纵摇的耦合运动特性。     

基于波能量平衡方程模拟波浪在柔性植物区的传播与变形

基于CMS-Wave波浪数学模型,通过在其波浪能量平衡方程中引入植被波能损耗项,并考虑了波浪的折射、反射、破碎、波流相互作用及底摩擦等作用,计算了有植被作用下的波浪传播与变形.该模型的求解以波能平衡方程为基础,采用有限差分法进行数值离散,并应用Gauss-Seidel迭代法计算离散的方程组,得到计算域的波高、周期以及波向等波浪要素信息.首先通过模拟一维简单地形和二维复杂地形的波浪传播,对模型的适应性及有效性进行评估;随后对不规则非破碎和破碎波浪在柔性植物区的传播变形进行模拟,计算结果表明,修正的CMS-Wave模型能够精确地计算植被影响下波浪在复杂地形的传播与变形,这可对近一步研究近海湿地植被的消波效应及湿地海域极端风浪的防灾减灾提供技术支撑.     

双曲型缓坡方程的数值求解

双曲型缓坡方程是研究波浪在近岸缓坡区域传播变形的一种有效波浪数学模型。对Madsen和Larsen 提出的双曲型缓坡方程进行了数值模拟,数值模拟中采用时间层同步空间层交错的有限差分格式对双曲型缓坡 方程进行数值离散,并结合两个典型算例对所采用的数值模型进行验证。数值计算的结果表明,该数值模型可 有效地应用于双曲型缓坡方程的数值求解。     

基于非线性弥散关系的缓坡方程波浪传播变形模拟研究

【目的】波浪由外海传播到近海时,由于受到地形、建筑物等影响,波浪非线性增强,线性弥散关系不能够很好的描述波浪弱非线性效应。为了对比研究非线性弥散关系的缓坡方程在波浪传播变形的作用。【方法】采用改进型缓坡方程数值模式,并结合Li提出的非线性弥散关系,对Berkhoff椭圆经典地形进行波浪传播变形模拟研究,探讨线性和非线性弥散关系的数值模拟计算结果与实验值的关系,并对两种计算结果进行了比较分析。【结果】非线性弥散关系的计算结果与实验值的误差较线性弥散关系的结果小,非线性模型要优于线性模型。【结论】非线性模型更适合近海海域弱非线性波浪传播变形的研究。     

曲线坐标系下非均匀水流中波浪传播的数值模拟

利用自适应网格技术，建立了曲线坐标系下缓变水深水域非均匀水流中波浪传播的数值模拟模型。将椭圆型非均匀水流中波浪传播的联合折射-绕射方程化为依赖时间变化的抛物型方程，并以此作为控制方程，克服了一般抛物近似方法的缺点；从开边界条件、不同反射特性的固壁边界条件相统一的表达式出发，对边界条件进行处理；用ADI法数值求解控制方程。验证结果表明，模型能适应复杂的边界形状，可以较好地模拟复杂边界条件下波浪传播过程中的多种物理现象，克服了以往各种代数坐标变换的局限性，有效地反映了水流对波浪传播的影响。模型的模拟结果可供实际工程参考使用。     

溃坝波在弯曲河道中传播的二维数值模拟

为分析溃坝波在天然弯曲河道中传播的特点,建立了跟踪河道走向的正交曲线坐标系,并通过坐标变换、简化和水深积分推导出了曲线坐标系下的二维浅水方程.利用能较好地适应水流间断性质的Godunov差分格式,对控制方程在二维矩形区域上进行离散求解,模拟溃坝波在不同弯曲度弯道中的传播过程.结果表明,该模型能够简便、快速、有效地模拟弯道溃坝波的传播,河道的弯曲会对溃坝波传播的速度以及水面形态产生影响.     

导体静电问题的一类特殊解法

以正交曲线坐标表系中的一个坐标面必与另外两个坐标面决定的曲线正交为基础,巧妙设置孤立带电导体或导体组,建立起满足边界条件的等势面方程,应用已知等势面族方程求电势公式,求解了一类特殊的导体静电问题。     

一般曲线坐标系下的质点动力学方程

由曲线坐标系下质点动力学方程的数学形式,推导出在惯性系和非惯性系中一般曲线坐标系下质点动力学方程的具体形式.     

正交曲线坐标系下二维浅水方程的变换

在平面二维明渠非恒定流的研究中,常采用边界拟合坐标技术建立二维正交曲线网格,但是直接推导坐标变换后在正交曲线坐标系下的二维浅水方程比较困难.本文给出了一种应用张量分析的推导方法,利用该方法简单、准确地给出了正交曲线坐标系下的二维浅水方程的具体形式,该方程已经广泛地应用于明渠水流计算中.     

正交曲线坐标系基向量的二阶偏导数

研究了正交曲线坐标系基向量的二阶偏导数,运用基变换的单位正交性给出了当坐标函数三阶偏导数连续时拉梅系数满足的两个偏微分方程,由此证明了基向量的二阶混合偏导数与求导顺序无关,推导了基向量的二阶偏导数公式。     

伶仃洋正交曲线坐标网格的生成及在虎门双向射流数值模拟中的应用

为满足虎门口小尺度动力结构和双向射流系统的研究,采用求解泊松方程方法生成黄埔-伶仃洋区域的曲线网格．并应用得到广泛认同的Ecomsed模式对该区域进行了二维流场试算,得到了合理的结果．结果表明,生成的伶仃洋曲线网格可以反映虎门的射流流态,可用于对虎门小尺度动力结构和双向射流系统进一步的深入研究．     

A Note on Natural Coordinates and Frenet Frames

This paper discusses the relationship between natural coordinates in fluid mechanics and or-thogonal curvilinear coordinates. Since orthogonal curvilinear coordinates have some excellent mathemati-cal properties, natural coordinates can be applied more widely if they can be transformed to orthogonal cur-vilinear coordinates. Frenet formulas which describe the differential properties of natural coordinates were compared with the derivative formulas of orthogonal curvilinear coordinates to show that natural coordinates are not generally orthogonal curvilinear coordinates. A method was introduced to transform natural coordi-nates into orthogonal curvilinear coordinates by rotating the normal planes of the natural coordinates about the streamlines. The transformation is true as long as the natural coordinates satisfy several equations. Vor-ticity decomposition in the natural coordinates is used to show that these conditional equations are satisfied only if the streamlines are perpendicular to the vortexlines on every given point in the flow field. These equa-tions apply in both planar flows and axisymmetric flows without a circumferential velocity component, but do not apply in some 3-D flows such as Beltrami flow.     

滚动轴承的弹塑性静动力学响应

针对当前滚动轴承的弹塑性力学行为研究相对薄弱等问题，以深沟球轴承为例，建立了研究滚动轴承弹塑性静动力学特性的分析模型.该模型通过引入一个与应力球张量有关的混合硬化屈服准则，建立了各向同性材料的弹塑性增量型本构方程，基于Hertz接触理论确定了作用在内外套圈上荷载之间的关系，由对称性得到了正交曲线坐标系下1/4轴承外圈的平衡方程和相应的定解条件，并综合应用有限差分法和Newmark-β法对问题进行迭代求解.数值结果表明，荷载大小、轴承尺寸和材料的塑性性能均是轴承设计时应考虑的重要因素，传统的弹性模型会过高地估计轴承的刚度，而弹塑性模型能更加精准地描述滚动轴承的力学性能.     

矩形介质波导的弯曲损耗

本文用微扰法导出了矩形介质波导的弯曲辐射损耗公式,其结果与Marca-tili结果符合很好,但是公式及计算过程都要简单得多,也便于向其它弯曲波导结构推广。