基于二阶差分法和非结构网格的有限体积法的溃坝模拟

非结构的三角形网格适应于复杂不规则的边界,在此基础上采用有限体积法离散浅水波方程,并结合有限差分法建立了一种新的离散格式,使得界面通量计算达到二阶精度。通过对典型算例的模拟计算,此格式在溃坝计算中能很好地捕捉溃坝波的前进,具有很强的模拟间断的能力,模拟溃坝洪水波间断的形状和位置都能得到很满意结果。     

基于高精度WENO格式的二维溃坝波数值模拟

以浅水波方程组建立二维溃坝洪水模型,对经典WENO格式计算模板重新选取,得到各计算模板上重构多项式,对各个模板的局部光滑因子进行组合得到更高阶的全局光滑因子,建立相应的非线性权,将各模板上重构多项式加权处理得到计算单元界面数值通量的一个新高精度WENO格式,泰勒级数展开证明了该格式的非线性权比经典WENO格式的非线性权更接近理想权。将该格式、Lax-Friedrich通量分裂方法和局部特征分解方法相结合用于二维浅水方程的离散求解,模拟二维局部溃坝流和圆形溃坝流洪水的演进过程,模拟结果与实际流动符合较好,表明采用高精度WENO格式所建立的高分辨率溃坝模型能很好地模拟溃坝波的演进过程。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形，建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程，考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对动量的影响；泥沙输移采用不平衡泥沙对流扩散方程描述。模型数值计算格式采用有限体积法，单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算，扩散通量采用中心格式，不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验，水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合。在上述检验的基础上，分别采用动床及定床模型对浙江省某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟，结果表明动床下的溃坝洪水的传播速度快于定床，动床与定床的水位、流速差异很大，这说明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用，采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形,建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程,考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对水流动量的影响;泥沙输移采用不平衡泥沙输移模式。模型数值计算格式采用守恒性较好的有限体积法,单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,扩散通量采用中心格式,不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验,水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合,分析了动床与定床水面及洪水传播速度的差异。在上述检验的基础上,采用动床模型对某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟,结果表明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用,采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

应用二维数值方法模拟蓄滞洪区洪水运动

针对蓄滞洪区内洪水运动的特点,对二维浅水方程的守恒形式进行非结构离散,建立了 高精度的数学模型。该模型通过Roe格式的近似Riemann解计算界面数值通量,采用数值重构的 方法获得时空二阶离散精度。通过方形溃坝算例和超临界流算例验证了该模型具有较高的数值精 度和可靠的稳定性,能够捕捉水面间断和处理干滩问题。应用该模型对胖头泡蓄滞洪区的溃堤洪 水进行了数值模拟,结果表明,该模型很好地模拟了溃堤洪水在蓄滞洪区内的运动过程,所得结 果可以为防洪决策提供依据     

实际地形下溃坝波的有限近似解

采用有限近似法5点格式离散二维浅水波方程组,建立平面二维溃坝洪水波模型。通过与平底无摩擦二维非对称部分溃坝问题其他数模的结果比较,结果表明该模型能够较好地模拟自由面的变化规律,具有较强的间断捕捉能力。进而对实际地形下的二维溃坝问题进行了计算模拟,给出了精细的数值结果,揭示了复杂的运动特性,进一步显示了有限近似法模拟溃坝洪水波间断面的形状和位置的优良性能,是求解溃坝流动的有效方法之一。     

波浪在平缓岸滩上爬坡的有限差分格子Boltzmann模拟

应用有限差分格子Boltzmann方法模拟平缓岸滩上波浪爬坡过程,计算结果和半解析解以及其它数值模型模拟结果吻合.通过和标准格子Boltzmann模型计算结果比较,发现在格子Boltzmann方法的基础上采用高精度有限差分格式离散方程取较大的空间和时间步长就可以得到稳定的计算结果,节省计算时间,可以用于模拟大范围波浪爬坡现象.     

基于加权本质无振荡格式的二维溃坝水流数值模拟

将加权本质无振荡WENO(Weighted essentially nonoscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水控制方程的求解中，建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对一维矩形明渠中大坝瞬间全溃所致的水流运动进行了数值计算，并与理论解进行了比较，证实了方法的可靠性。最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程，模拟结果与实际相符。算例表明采用WENO格式所建立的高分辨率溃坝模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

黄河下游突发性污染事件数值模拟

建立黄河下游一维非恒定流水动力学数学模型,并在此基础上建立一维水质模型,采用有限体积法(TVD格式)离散基本方程,通过时间二阶之预测-校正二步格式对离散方程进行求解。该求解方法具有守恒性好、算法简单、通用性强,在预测一般洪水及溃坝洪水波演进方面有较好的实用性,并能对黄河下游突发性污染事件进行初步模拟。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进，但溃坝水流经常可在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成，采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预测-校正格式，使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大，床面变形较快，且床面冲淤速率可与水流变化速率相当，故需要采用浑水控制方程及耦合解法。     

波浪形态及方向分布对港域波浪传播的影响

航道开挖会对波浪的传播产生显著影响,使港内波浪及泊稳条件发生变化。依托物理模型试验结果,验证了MIKE21中BW数值模型的合理性,证实二者结果吻合良好,随后利用该模型对比分析了在规则波、单向不规则波以及多向不规则波作用下,港域波浪扰动系数的分布规律及区别。结果表明：小角度入射波浪下,单向不规则波与规则波在航道迎浪面边坡发生的波能聚集现象明显强于多向不规则波;多向不规则波的方向分布对波浪在航道中的传播产生影响,波浪方向分布范围越窄,航道的折射效应及能量汇聚过程也越明显,航道边坡上的扰动系数也越大。因此在实际工程的航道设计中,应该考虑到不同形态波浪及多向波方向分布在航道传播过程中的差异,尤其在某些涌浪作用较强、波浪能量分布较为集中的港域,以单向不规则波甚至是规则波作为入射波浪将更加合理安全。     

Effects of the wave directionality on wave transformation

A numerical model is proposed based on the time domain solution of the Boussinesq equations using the finite element method in this paper. The typical wave diffraction through a breakwater gap is simulated to validate the numerical model. Good agreements are obtained between the numerical and experimental results. Further, the effects of the wave directionality on the wave diffraction through a breakwater gap and the wave transformation on a planar bathymetry are numerically investigated. The results show that the wave directional spreading has a significant effect on the wave diffraction and refraction. However, when the directional spreading parameter s is larger than around 40, the effects of the wave directional spreading on the wave transformation can be neglected in engineering applications.     

考虑绕射效应的沿堤波浪力波动分析

回顾了波浪绕射的理论基础,提出了等水深单突堤的总波浪力相位差修正公式,结合绕射效应解析解和波压计算方法,探讨了波高和波浪力的沿堤波动.分析结果表明,波高沿堤波动导致波浪力沿堤也呈正弦形式的周期性衰减,这正是蛇行破坏现象的内在原因.当不考虑堤后绕射波影响时,堤头附近水平波浪力最大峰值约为立波时的1.2倍,当考虑堤后绕射波影响时,最大峰值可达1.4倍以上.这表明立波系统只是一种总体平均情况,考虑到波浪力的沿堤波动,工程中应加强局部重点堤段的防护.     

多向聚焦破碎波的实验研究

该文采用两种不同频谱形式(等波陡和等波幅)、不同水深,通过波浪聚焦的方法在水池中产生多向聚焦波和破碎波,实验研究了破碎波的波面特性、破碎波的破碎指标及传播过程中的频谱变化,结果表明频谱形式、水深及方向分布对破碎波浪特性有明显的影响;波浪传播过程中频谱高频部分有明显的变化;波浪破碎过程中的能量损失主要来自波浪频谱高频部分。     

Capillary-gravity ship wave patterns

Ship wave pattern is a fascinating research topic in the fields of marine hydrodynamics and water waves. Within the pure-gravity wave theory, the ship wave pattern composed of transverse waves and divergent waves appearing on the downstream is confined within a sector symmetrical about the ship track with a half-angle 19°28'. However, when the surface tension is accounted for, the wave pattern is greatly modified especially at a low translating speed. Besides the minimum speed of capillary waves c_(min)= 0.23 m/s below which waves cannot be generated, there is another critical speed c_(div)= 0.45 m/s associated with the disappearance of divergent waves. In the present paper, the wave patterns created by a steadily translating source are studied, and they are examined with the crestlines obtained from the asymptotic analysis.     

平面斜坡小波高各向破波压力试验研究

与海洋相比,水库、湖泊等的风成浪波高一般较小。论文分析了现有计算平面斜坡破波压力方法的适用性,通过概化模型试验和数值分析,提出了平面斜坡在小波高波浪作用下的法向破波压力计算公式,公式结构简单,计算方便。并获得波浪冲击点各向破波压力基本相同、可遵循静水质点受压原则的结论。     

Evaluation of numerical wave model for typhoon wave simulation in South China Sea

The simulating waves nearshore (SWAN) model has typically been designed for wave simulations in near-shore regions. In this study, the model's applicability to the simulation of typhoon waves in the South China Sea (SCS) was evaluated. A blended wind field, consisting of an interior domain based on Fujita's model and an exterior domain based on Takahashi's model, was used as the driving wind field. The waves driven by Typhoon Kai-tak over the SCS that occurred in 2012 were selected for the numerical simulation research. Sensitivity analyses of time step, grid resolution, and angle resolution were performed in order to obtain optimal model settings. Through sensitivity analyses, it can be found that the time step has a large influence on the results, while grid resolution and angle resolution have a little effect on the results.     

乐清湾内外海混合浪与局地风浪的比较分析

乐清湾是一个半封闭的海湾,一般而言外海混合浪难以传人.采用第三代海浪数值模型一SWAN模型计算了乐清湾内的波浪场,同时分析了局部风场产生的波浪场,结果表明,在乐清湾的中北部外海混合浪与局部风浪相比较弱,而在湾的南部相对较为显著.