三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.跟踪流体自由表面的方法为满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法,对离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元.并把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克斯波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播.     

完全非线性波浪破碎模型沿岸流数值模拟

探讨一种基于完全非线性Boussinesq方程的波浪破碎模型在沿岸流计算中的应用问题。针对控制方程中的完全非线性项对沿岸流成长过程的影响进行了深入讨论。数学模型计算结果表明,完全非线性项有使平均流局部化的作用;通过数模实验还发现,垂向高阶涡度项可以有效抑制破波区外回流;运用Visser的实验室沿岸流实测资料从沿岸流速度、波高和平均水位几方面对所提模型进行了验证,并给出了紊动参数的计算结果。     

不完全立波的二维数值波浪水槽模拟

利用二维数值波浪水槽研究波浪在防波堤前的运动状态.模型选用Navier-Stokes方程作为基本方程,以有限元法对基本方程进行离散.以直立堤前完全立波和越浪条件的不完全立波、斜坡堤前的不完全立波等典型情况的模拟为基础,组合这些典型情况模拟削角堤前不完全立波运动,探讨其堤前波面、波节点及波腹点位置、波压力等特性变化.     

基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程二维波浪传播数值模型

建立基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程的二维波浪传播数值模型。采用Kennedy等提出的涡粘方法模拟波浪破碎。在矩形网格上对控制方程进行离散,采用高精度的数值格式对离散方程进行数值求解。对规则波在具有三维特征地形上的传播过程进行了数值模拟,通过数值模拟结果与实验结果的对比,对所建立的波浪传播模型进行了验证。同时,为了考察非线性对波浪传播的影响,给出和上述模型具有同阶色散性、变浅作用性能但仅具有二阶完全非线性特征的波浪模型的数值结果。通过对比两个模型的数值结果以及实验数据,讨论非线性在波浪传播过程中的作用。研究结果表明,所建立的Boussinesq水波方程在深水范围内不但具有较精确的色散性和变浅作用性能,而且具有四阶完全非线性特征,适合模拟波浪在近岸水域的非线性运动。     

潜堤后高阶自由谐波的研究

基于高阶边界元方法的完全非线性数值水槽模型模拟潜堤地形上波浪的传播变形,通过与实验值进行比较,考察数学模型的正确性.采用两点法分离得到堤后高倍频自由波来研究入射波参数、水深对堤后高倍频自由波的影响.研究发现:基频波、二阶和三阶自由波幅值分别与入射波波幅成线性、二次和三次函数关系,基频波幅值基本不随波浪周期变化,而二阶和...     

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。     

适用于曲边界的浅水非线性波浪数值模型

实际工程中存在大量的曲边界,因此在曲边界上的计算准确性可以考察出一个数值模型的实用价值。利用Beji的改进型Boussinesq方程建立了一个有限元方法的数值波浪模型。造波方面采用Fenton提出的非线性规则波浪解;在墙边界处,以求解法线方向和切线方向的速度和导数代替求解x、y方向的速度和导数,从而使边界条件直接适用、严格满足,保证了对曲边界计算的准确性。"重开始广义极小残量法"的使用保证了求解方程组的效率和精度,使造波和边界处理方法的有效性和准确性得到了合理地诠释。通过与试验数据、他人数值结果、解析解的比对,显示出该模型计算稳定、结果准确,真正体现出了有限元方法对曲边界适用的优势。     

波浪与抛石潜堤相互作用的MPS法数值模型研究

为了研究波浪与抛石潜堤相互作用过程中大自由表面变形和堤内渗流等强非线性紊流运动问题,利用改进的MPS法,建立了模拟波浪与抛石潜堤相互作用的MPS法数值计算模型。模型将抛石潜堤假定为均质多孔介质,采用Drew的二相流运动方程描述多孔介质内外的流体运动;通过在动量方程中增加非线性阻力项,并引入亚粒子尺度紊流模型,模拟波浪与可渗结构物相互作用过程中的紊流运动。选取"U"型管中多孔介质内渗流过程和孤立波与可渗潜堤相互作用两个典型的渗流问题,通过将数值计算结果与理论解和实测值的对比分析,对所提出的MPS法紊流渗流模型的模拟精度进行验证。结果表明:基于改进的MPS法构建的垂向二维紊流渗流模型可以很好地再现"U"型管中多孔介质内渗流以及波浪作用下可渗潜堤内外的复杂流场,显著缓解流-固界面处的压力震荡与粒子分布不均匀问题,实现了较高的模拟精度。     

用含高色散性Boussinesq方程模拟潜堤上的波浪变形

基于一种高阶Boussiensq方程(刘忠波等,2004),采用预报-校正格式的有限差分法对该方程进行了数值离散,建立了数值模型。针对动量方程中三阶项的差分形式,采用了迎风格式和五点格式。通过数值模拟常水深下不同周期波浪传播变形,指出迎风格式在计算小周期波浪时存在的问题。为进一步验证数值模型的适用性,模拟了淹没潜堤上的传播变形。从数值结果与实验值的对比结果上看,该数值模型能较好地模拟波浪变形,可用于模拟实际中的波浪场问题。     

完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法（BEM）对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi（IGN）方程并采用有限元法（FEM）对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。     

聚焦波浪在浅堤上传播变形高精度数值模拟研究

基于开源程序REEF3D,通过建立高精度二维数值波浪水槽,系统研究了聚焦波浪在浅堤上传播变形的规律,着重分析了聚焦波浪通过浅堤的水动力过程及能量变化规律,讨论了不同波浪要素对聚焦波浪传播特性的影响。除此之外,还考虑了双浅堤布置对聚焦波浪传播变形的影响。研究结果表明:极端波浪通过浅堤时,堤顶水深越小,波浪主频能量衰减越显著。在给定堤顶水深条件下,聚焦点与浅堤的相对位置对聚焦波浪能量的衰减影响较小。在双浅堤布置条件下,随着浅堤间距的增加,上下游浅堤的相互影响逐渐减弱,高频段的波浪能量也随之减小。     

完全非线性深水波的数值模拟

基于势流理论,并结合深水波质点运动从水面向下呈e指数衰减的特性,建立了完全非线性数值变深水槽模型,通过实时模拟活塞式造波机运动来产生波浪.采用时域高阶边界元法进行模拟,利用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法追踪流体瞬时水面,应用镜像格林函数消除了水槽两个侧面的积分,在水槽末端布置人工阻尼层来消除反射...     

Wave prediction in a port using a fully nonlinear Boussinesq wave model

A wave forecasting system using FUNWAVE-TVD which is based on the fully nonlinear Boussinesq equations by Chen(2006) was developed to provide an accurate wave prediction in the Port of Busan, South Korea. This system is linked to the Korea Operational Oceanographic System(KOOS) developed by Park et al.(2015). The computational domain covers a region of 9.6 km×7.0 km with a grid size of 2 m in both directions, which is sufficient to resolve short waves and dominant sea states. The total number of grid points exceeds 16 millions,making the model computational expensive. To provide real-time forecasting, an interpolation method, which is based on pre-calculated results of FUNWAVE-TVD and SWAN forecasting results at the FUNWAVE-TVD offshore boundary, was used. A total of 45 cases were pre-calculated, which took 71 days on 924 computational cores of a Linux cluster system. Wind wave generation and propagation from the deep water were computed using the SWAN in KOOS. SWAN results provided a boundary condition for the FUNWAVE-TVD forecasting system. To verify the model, wave observations were conducted at three locations inside the port in a time period of more than 7 months. A model/model comparison between FUNWAVE-TVD and SWAN was also carried out. It is found that, FUNWAVE-TVD improves the forecasting results significantly compared to SWAN which underestimates wave heights in sheltered areas due to incorrect physical mechanism of wave diffraction, as well as large wave heights caused by wave reflections inside the port.     

一维全非线性Green-Naghdi水波方程数值模型

建立了求解一维全非线性Green-Naghdi水波方程的中心有限体积/有限差分混合数值格式。采用结构化网格对守恒形式的控制方程进行离散和积分,界面数值通量采用有限体积法计算,剩余项则采用中心有限差分格式求解。其中,采用中心迎风有限体积格式计算控制体界面数值通量,并结合界面变量的线性重构方法,使其在空间上具有四阶精度,通过引入静压重构技术和波浪破碎指标使模型具备处理海岸水-陆动边界及波浪破碎的能力。时间积分则采用具有总时间变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)性质的三阶龙格-库塔法进行。应用该模型对孤立波在常水深和斜坡海岸上的传播过程及规则波跨越潜堤传播的实验进行了数值模型研究,数值计算同解析解及实验数据吻合良好。     

聚焦波作用下透水潜堤消波特性数值模拟研究

基于非静压数值计算模型,本文系统研究了聚焦波作用下透水潜堤的消波特性,通过设置合理的计算工况,详细分析了波高、堤顶水深、谱峰周期、孔隙率以及堤顶宽度5种因素对透水潜堤消波特性的影响。与此同时,本文将透水潜堤的计算结果同不透水潜堤的计算结果进行了对比分析。计算结果表明：透水潜堤对聚焦波的消减作用要强于不透水潜堤,从而说明,透水潜堤能更有效地降低畸形波对海岸基础设施的影响;波高和堤顶水深是影响潜堤消波特性的重要因素,随入射波高增加、堤顶水深减小,透水潜堤对波浪的消减作用逐渐增强。透水潜堤对长周期波浪的消波效果较差。在本文考虑的孔隙率范围内,孔隙率越大,透水潜堤消波效果越好;当孔隙率为0.4,堤顶宽度为0.612 5 m时,透水潜堤可消减54%的入射波能,比不透水潜堤对入射波能的消减增加36.1%。本文研究结果可为进一步认识透水潜堤的消波特性和海岸防护工程设计提供相应的参考。     

潜堤对波浪传播变形的物理模型试验研究

以不可渗透光滑潜堤为研究对象,基于波浪水槽试验,分析了规则波和不规则波通过淹没梯形潜堤时的波浪外部形态变化以及内部能量变化规律。探讨了不同波浪要素(周期、波高、淹没水深)对潜堤附近波高影响的变化规律。同时,探究了潜堤斜坡坡度、堤顶淹没水深对波浪频谱在频域分布的影响。研究结果表明:当波浪通过潜堤时,波浪主频能量衰减,波浪能量由低频向高频移动;潜堤斜坡坡度越大、堤顶水深越小,波浪主频能量衰减越剧烈;波浪通过潜堤后高频波能量占潜堤次生波能量的1%~30%。     

Wave propagation in a fully nonlinear numerical wave tank: A desingularized method

The problem of wave propagation in a fully nonlinear numerical wave tank is studied using desingularized boundary integral equation method coupled with mixed Eulerian–Lagrangian formulation. The present method is employed to solve the potential flow boundary value problem at each time step. The fourth-order predictor–corrector Adams–Bashforth–Moulton scheme is used for the time-stepping integration of the free surface boundary conditions. A damping layer near the end-wall of wave tank is added to absorb the outgoing waves with as little wave reflection back into the wave tank as possible. The saw-tooth instability is overcome via a five-point Chebyshev smoothing scheme. The model is applied to several wave propagations including solitary, irregular and random incident waves.     

Freely floating-body simulation by a 2D fully nonlinear numerical wave tank

Nonlinear interactions between large waves and freely floating bodies are investigated by a 2D fully nonlinear numerical wave tank (NWT). The fully nonlinear 2D NWT is developed based on the potential theory, MEL/material-node time-marching approach, and boundary element method (BEM). A robust and stable 4th-order Runge–Kutta fully updated time-integration scheme is used with regriding (every time step) and smoothing (every five steps). A special φ_n-η type numerical beach on the free surface is developed to minimize wave reflection from end-wall and wave maker. The acceleration-potential formulation and direct mode-decomposition method are used for calculating the time derivative of velocity potential. The indirect mode-decomposition method is also independently developed for cross-checking. The present fully nonlinear simulations for a 2D freely floating barge are compared with the corresponding linear results, Nojiri and Murayama’s (Trans. West-Jpn. Soc. Nav. Archit. 51 (1975)) experimental results, and Tanizawa and Minami’s (Abstract for the 6th Symposium on Nonlinear and Free-surface Flow, 1998) fully nonlinear simulation results. It is shown that the fully nonlinear results converge to the corresponding linear results as incident wave heights decrease. A noticeable discrepancy between linear and fully nonlinear simulations is observed near the resonance area, where the second and third harmonic sway forces are even bigger than the first harmonic component causing highly nonlinear features in sway time series. The surprisingly large second harmonic heave forces in short waves are also successfully reproduced. The fully updated time-marching scheme is found to be much more robust than the frozen-coefficient method in fully nonlinear simulations with floating bodies. To compare the role of free-surface and body-surface nonlinearities, the body-nonlinear-only case with linearized free-surface condition was separately developed and simulated.