不规则波辐射应力的精确解与近似解

波浪辐射应力是波生沿岸流乃至近岸流的主要驱动力。波浪辐射应力的计算将直接关系到沿岸流的大小及其水动力特性。不规则波相对规则波更能反应实际海洋中的波浪运动,因此不规则波作用下辐射应力的计算将更能体现实际沿岸流中的波浪驱动力。通过推导给出不规则波辐射应力计算的精确解与近似解,并对两种计算方法进行了分析比较,在此基础上进一步用波生沿岸流试验结果对近似计算方法中的波能计算进行了验证。结果表明窄谱情况下,不规则波辐射应力的近似计算方法已有较好的精度,可节省大量的计算时间,从而提高计算效率,但精确计算方法更能准确反应各时刻各位置辐射应力的波动状况。     

一种高保真超长黏性数值波浪水槽

为实现波浪的超长距离传播和调制演变过程,该文提出一种高保真基于黏性流理论的数值波浪水槽。分别采用包含单元均值和点值(VPM, volume-average and point-value method)的有限体积法求解纳维斯托克斯方程及具有二次曲面性质和高斯积分的双曲正切函数(THINC/QQ, the tangent of hyperbola for interface capturing with quadratic surface representation and Gaussian quadrature)方法来重构自由面,建立以OpenFOAM底层函数库为基础的VPM-THINC/QQ模型。依据推板造波理论,在VPM-THINC/QQ模型中实现了波浪产生功能。在300 m的超长水槽中对深水波列进行模拟,得到波群的长时间非线性演化过程,并与文献结果进行了对比,结果表明:所开发的高精度数值波浪水槽可有效模拟深水波列的长时间传播和演变过程。     

离岸式振荡水柱波能装置的理论及数值研究

基于势流理论, 利用匹配特征函数展开法,求解微幅波与离岸式振荡水柱（OWC）波能转换装置相互作用的边界值问题. 借助FLUENT软件及其用户自定义函数（UDF）,建立二维完全非线性波-OWC装置数值模型. 从理论和数值上分析OWC装置吃水深度、气室宽度以及墙体厚度对波能转换效率的影响,解析解和数值结果吻合较好.依靠数值模型,模拟波高变化对OWC装置工作效率的影响. 研究表明：OWC装置吃水深度的增加会导致高效频率带宽变窄,峰值向低频区移动;墙体厚度的增加会导致高频区波能转换效率下降,但对低频区影响较小;气室宽度的增大会导致高效频率带宽变宽,峰值向低频区移动;波高的增大会导致波能转换效率下降,在共振频率附近尤为明显.     

破碎波作用下单桩基础局部冲刷试验研究

破碎波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致破碎带内单桩基础发生局部冲刷,严重威胁单桩基础结构稳定性。该文在波浪水槽中采用中值粒径0.32mm的原型沙铺设平床沙坑,开展破碎波单桩冲刷试验,规则波经过坡度1:20的斜坡后,浅化破碎在矩形沙坑区域,分析桩基和破碎点的间距与波长之比α对单桩基础最大局部冲刷深度S_max及冲刷形态的影响。研究结果表明：破碎波翻卷产生湍流以及流动的纵向发展是引起冲刷的重要因素,使得相对距离α与最大冲刷深度S_max密切相关;沙床在破碎波作用下形成沙坝和滩槽结构,持续影响单桩局部冲刷的演变过程,当相对距离α=0.35～0.55时,由桩基引起的净冲刷最为显著,同时在滩槽地形叠加下,桩周的最大局部冲刷深度可达0.5倍桩径。     

弹簧刚度对嵌入式振荡水柱波能装置水动力性能的影响

提出嵌入方箱式防波堤的垂荡式振荡水柱（OWC）波能装置,利用开源计算流体动力学库OpenFOAM及工具箱waves2foam,对该波能装置的能量转换效率和水动力特性开展数值研究.采用流体体积法（VOF）捕捉气液界面,利用Rigid-Body Dynamic网格技术求解垂荡运动.在不同入射波频下,探究垂直线性弹簧约束（用无量纲弹簧刚度表示）对OWC波能装置的波能转换效率、反射系数、透射系数、能量耗散系数、相对压降、有效相对振荡幅度和相位差等的影响.结果表明,结构物适当的垂荡运动有利于提升OWC装置在特定频率条件下的波能转换效率;振荡水柱和结构物间的运动相位差是决定能量转换效率的关键因素;为了提升能量转换效率,调节结构物的垂荡运动来控制相位差的措施是可行的.     

一种自动上浮式定深采水装置的设计

设计了一种可以用于湖泊、河流、海洋等水域的带自动上浮功能的定深采水装置。该采水装置通过压力传感器来测量装置所处的水下深度,装置的外壳设置有气体存储罐及负压采水袋,通过内置的以单片机为核心的控制单元来实现预设深度的水样采集、气体释放和自动上浮。     

基于CIP方法的入水过程模拟

入水问题涉及到军事、航空等领域,如子弹入水、船舶砰击等,具有很强的应用背景。物体入水的过程涉及到固、液、气三相流动和相互作用,并伴随水花飞溅、空泡形成等复杂的物理现象。该文基于紧致插值CIP(constrained interpolation profile)数学模型,分步求解Navier-Stokes(N-S)方程,并通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用Volume of Fluid(VOF)类型的高精度紧致tangent of hyperbola for interface capturing(THINC)方法重构自由面。模拟了刚性圆柱和方柱的入水过程,结果与实验数据吻合较好。     

一种新型波浪观测系统——测波鱼的设计

波浪观测是海洋观测的主要内容之一,对海浪的现场观测和深入研究对准确预报海浪具有十分重要的意义。针对传统测波仪器体积大、灵活性差和不易维护等问题,文中提出一种新型波浪观测系统——测波鱼。在现有仿生机器鱼的设计基础上,在该测波鱼上增加压力传感器,通过内置单片机及无线通信模块,支持远距离实时观测波浪数据;添加稳固装置和浮力控制组件,保证测波鱼在水中平稳运动,减小测波误差。     

数据驱动下流体结构相互作用的卷积神经网络预测

卷积神经网络(CNN:convolutional neural network)是人工智能领域中具有代表性的深度学习算法之一,在图像识别和音频处理等问题上具有良好表现.该文将CNN用于计算流体力学(CFD:computational fluid dynamics)中流体结构相互作用问题的求解,基于数据驱动(Data-D...     

低雷诺数下串列双圆柱涡激振动的数值模拟

针对海洋立管中常发生的流致振动问题,本文采用自主研发的CIP-ZJU数值模型,对雷诺数Re=150条件下串列双圆柱的涡激振动进行模拟。该模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的CIP方法求解N-S(navier-stokes)方程,采用浸入边界法处理流-固耦合问题。本文仅考虑圆柱的横向振动,具体分析不同间距比和折合速度,并分别考虑上游圆柱固定和自由振动两种工况,得到柱体振动响应、受力响应和流场信息,验证了本模型在处理柱体涡激振动问题的有效性。结果表明:串列情况下下游圆柱的最大振幅要明显大于单柱的情况,双圆柱涡激振动的阻力系数普遍比单圆柱涡激振动时要小;上游圆柱固定时,下游圆柱的振动频率几乎不由斯特劳哈尔频率控制;而当上游圆柱自由振动时,在折合速度4≤Ur≤5时,上游圆柱后方产生两列涡,使下游圆柱的运动范围限制在两列涡之间,可对其振动产生了抑制作用。