内孤立波环境下柱体的受力特性

针对以往孤立波对柱体作用研究多只针对柱体的整体受力开展,少有研究精细获取柱体不同部位受力特性的问题,借助三维大涡模拟(LES)数值波浪水槽,通过提取柱周流场及压强分布,得到柱体所受压差阻力及黏滞力的垂向分布,对柱体在孤立波环境中的受力特性进行了分析,并采用多元线性回归分析,构造综合影响参数分析了柱体受力特性,构建了柱体受力系数经验表达式。结果表明:上下层水体中方柱所受压差阻力约分别为圆柱的1.5倍和3.5倍;作用于柱体上的黏滞力比压差阻力小1或2个数量级,可忽略流体的黏性效应;综合影响参数与相对波幅正相关,与上下水深比负相关。     

台阶形陆架上孤立波传播的数值模拟

为了研究孤立波在带有陡升台地的陆架上的传播,用MAC方法求解了二维纳维尔-斯托克斯方程。本文在以下几点,改进了东京大学提出的修正的网格标记法:1.给出交错网格的新的标号系统;2.推导出自由表面上非规则星的新的压力迭代公式;3.对流函数、压力和速度使用了三值悬旗;4.把一维Burgers方程的部分守恒形式扩展用于二维N-S方程。这些使得程序更简单和精确。计算结果证卖,物理上很好地解释了孤立波的传播,入射波分成了反射波和透射波,然后开始分裂、破碎。 本文计算结果与线性波理论的结果很一致,但后者不能给出波运动的过程。     

双色波数值模拟的造波方法研究

为了使数值波浪水槽模型能够精确简便地代替物理模型,并为港口海洋工程及内河工程提供重要的数据支持,基于不可压缩黏性流体的N-S方程和VOF方法,运用软件FLUENT建立数值水槽。通过对软件的二次开发,进行推波板造波方法的波浪数值模拟。将物理模型实验中的Sch?ffer二阶造波理论运用于波浪数值模拟,实现基于二阶推波板造波法的双频波数值模拟。在此造波基础上,开创性地模拟出变化地形下波浪的相互作用,体现出其非线性作用。研究结果显示:(1)将各工况得出数据分别与理论值和实验值进行对比验证,表明所用方法有较好的精确性;(2)通过双色波相互作用后的频域分析得出其适用范围为0.1h/L0.5。推波板造波法模拟的数值波浪有着较好的非线性和精确性,可以在一定条件下代替物理实验。     

基于MPS-FEM方法数值模拟孤立波与垂直板的相互作用

该文采用基于MPS-FEM方法自主开发的无网格法流固耦合求解器MPSFEM-SJTU,数值模拟孤立波与水下垂直板的相互作用。流体部分计算采用MPS方法,结构部分计算采用FEM方法,二者在接触面处采用核函数插值进行耦合。首先做了数值造波验证,孤立波采用推板造波。然后对比分析了孤立波分别与垂直刚性板和弹性板相互作用的差异。最后讨论分析板的弹性模量对孤立波与垂直板相互作用的影响。结果表明,弹性板对孤立波演化的影响与刚性板不同,同时板受到的压力也因为板的弹性模量的变化而不一样。     

黏性波浪场与半潜平台相互作用的数值模拟

以N-S方程为控制方程,采用动量源方法,结合追踪自由面的VOF方法,基于FLUENT求解器,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽.利用该数值水槽对黏性波浪场与半潜平台的相互作用问题进行了数值模拟,获得了黏性波浪场作用下半潜平台水动力载荷及其立柱表面波浪爬高的时历特性.研究表明,利用所建立的数值波浪水槽来研究黏性波浪场与深海平台非线性相互作用是一条有效的途径.     

孤立波与潜水台阶相互作用的数值研究

本文用完整二维Navier-Stokes方程和VOF方法研究孤立波与潜水台阶障碍物相互作用问题.本文的计算结果与Seabra-Santos,Penouard and Temperville(1987)的实验结果有较好的一致性,与Germain(1984)基于势流浅水理论的结果较为接近,同时能更好模拟出前传演化波的衰减.只要给出初始孤立波波幅,静水深和潜水台阶障碍物的高度,利用本文方法就能模拟出演化波、分裂波和反射波的波形,并给出每一时刻的自由面形状、流场、涡量和压力的分布.     

孤立波爬坡，漫顶以及再生的数值模拟

本文用数值模拟的方法对孤立波翻越倾斜坡岸的全过程进行了研究.计算过程稳定,同Hall&Watts和NicholasDodd的实验结果吻合良好,某些情况下比NicholasDodd方法更接近实测值.能很好地模拟出波浪爬坡,漫顶以及越过物体后再次形成波浪的全过程.     

孤立波与连续波列爬坡的数值计算

本文在文献[8]的基础上，将原来处理人为边界的办法改用开路边条件，并将其推广到有入射波穿过人为边界的情况，这不仅使所需计算时间和内存量大大减少，而且首次计算了连续波列的爬坡运动，所得数值结果与实际观测到的现象相吻合；对孤立波的计算所得之最大爬升高度，与实验结果相当一致。     

有限深两层流体中内孤立波传播演化理论模型研究

该文对Choi和Camassa给出的一个内孤立波方程模型中的系数进行了修正,并给出了基于方程的内孤立波定态解表达式,将其称为内孤立波me Kd V理论解,进而采用有限体积/有限差分混合方法数值求解内孤立波的三类(Kd V、e Kd V和me Kd V型)非线性传播演化方程,分别以内孤立波的Kd V、e Kd V、MCC和me Kd V定态解作为初始输入波,研究其非线性传播演化特性,并获得其适用性条件。结果表明,三类非线性传播演化方程,只适合于相应内孤立波定态解初始波的定态传播,而对其他定态解初始波将发生波形变形、分裂等非线性现象。在此基础上,定量地给出了三类非线性传播演化方程的适用性条件,为采用何种非线性方程来研究实际海洋中内孤立波的传播演化问题提供了理论依据。     

孤立波浅化过程的SPH数值模拟

本文应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了二维数值波浪水槽,研究了孤立波沿斜坡的传播、变形和破碎过程。通过数值计算分析了波浪沿斜坡传播过程中自由表面的变化特征,给出了斜坡上不同位置处波面变化的历时曲线,并应用文献记录的试验结果对数模结果进行了验证。得到了波高的沿程变化趋势、破波点的位置和破碎波高以及不同破碎形态下波浪自由表面的变化特征,显示了SPH方法在处理较复杂自由表面流动问题方面的优越性。     

孤立波翻越防波堤流动的湍流数值模拟

应用湍流数学模型和流体体积法模拟孤立波翻越防波堤的流动和自由表面变化。数模成功地再现了波浪涌顶和喷射、射流入水、自由表面破碎和漩涡产生等复杂流动过程,并获得了孤立波翻越防波堤时的压力分布。     

两层流体中潜艇水下运动尾迹的数值模拟

本研究使用基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在两层流体中水下运动时的尾迹特征进行了探索性研究,成功的模拟出潜艇水下运动产生的表面波和内波,数值计算结果与理论分析和文献研究结果基本一致。     

GPU acceleration of a nonhydrostatic model for the internal solitary waves simulation

The parallel computing algorithm for a nonhydrostatic model on one or multiple Graphic Processing Units (GPUs) for the simulation of internal solitary waves is presented and discussed. The computational efficiency of the GPU scheme is analyzed by a series of numerical experiments, including an ideal case and the field scale simulations, performed on the workstation and the super-computer system. The calculated results show that the speedup of the developed GPU-based parallel computing scheme, compared to the implementation on a single CPU core, increases with the number of computational grid cells, and the speedup can increase quasilinearly with respect to the number of involved GPUs for the problem with relatively large number of grid cells within 32 GPUs.     

Numerical simulation of three-dimensional breaking waves and its interaction with a vertical circular cylinder

Wave breaking plays an important role in wave-structure interaction. A novel control volume finite element method with adaptive unstructured meshes is employed here to study 3-D breaking waves. The numerical framework consists of a "volume of fluid" type method for the interface capturing and adaptive unstructured meshes to improve computational efficiency. The numerical model is validated against experimental measurements of breaking wave over a sloping beach and is then used to study the breaking wave impact on a vertical circular cylinder on a slope. Detailed complex interfacial structures during wave impact, such as plunging jet formation and splash-up are captured in the simulation, demonstrating the capability of the present method.     

Numerical simulation of hull/propeller interaction of submarine in submergence and near surface conditions简

Hull/propeller interaction is of great importance for powering performance prediction. The features of hull/propeller interaction of a submarine model with a high-skew five blade propeller in submergence and near surface conditions are numerically simulated. The effect of propeller rotation is simulated by the sliding mesh technique. Free surface is captured by the volume of fluid （VOF） method. Computed results including resistance, thrust, torque and self-propulsion factor are compared with experimental data. It shows fairly good agreement. The resistance and wave pattern of the model at different depths of submergence are computed. And the thrust, torque and self-propulsion factor of the model in submergence and near surface condition are compared to analyze the effect of free surface on self-propulsion performance. The results indicate that free surface has more influence on resistance than that on self-propulsion factors.     

海洋内孤立波作用下张力腿平台动力响应特性

基于三类内孤立波理论KdV、eKdV和MCC的适用性条件,将张力腿简化为非线性梁模型,采用Morison和Froude-Krylov公式计算张力腿平台的内孤立波动态载荷,结合浮体有限位移时域运动方程,建立了内孤立波与张力腿平台相互作用的理论模型。以东沙群岛附近海域某实测内孤立波为对象,对典型张力腿平台(ISSC-TLP)在内孤立波作用下的动态载荷、运动响应以及张力腿张力的变化特性进行数值分析。研究表明,内孤立波不但对张力腿平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度的纵荡位移,还会显著增加张力腿的张力。因此,在张力腿平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

海底管道与海床相互作用研究综述

随着海上油气田的快速发展,目前我国已建海底管道超过6 000 km。近年来,管道事故时有发生,管道工程的安全性和管道的稳定性问题得到越来越多研究学者的重视。鉴于海底管道与海床的相互作用是研究管道稳定性问题的关键,阐述了海底管道在波浪作用下与海床间相互作用的试验研究现状,包括机械加载式试验、水槽模型试验、离心模型试验等;以及理论研究现状,包括解析方法和数值方法等。最后对波浪作用下海底管道和海床相互作用尚待研究的问题进行了展望,研究分析认为正确建立管道与海床本构模型等问题是未来研究海底管道稳定性的重要方向。     

孤立波作用下海底管道允许悬跨长度简化计算

分析海底管道稳定性时,需要重点考虑管道发生悬空的情况。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。基于孤立波理论,考虑浅水区波浪的特点,给出浅水区管道悬空段所受的动水作用力。针对常见的悬空形式,从管道最大静弯曲应力不超过材料许用应力的角度出发,推导出浅水区管道允许悬空长度的计算式。最后结合渤海湾某油田海底管道工程,计算出该海区管道的允许悬跨长度,认为该海区有部分管道已超过计算的允许悬跨长度,应进行加固处理。     

导流板对海底管道绕流影响的数值模拟与试验研究

采用试验研究和数值模拟相结合的方法为对海底管道添加导流板后的绕流特性进行了研究。数值模型利用有限体积法进行离散,湍流模型采用标准kε湍流模型。通过对比分析,数值模拟结果与试验结果吻合较好。同时对不同间隙比下导流板对迎流面前驻点、流速分布、管道表面压力分布、升阻力系数及床面剪应力的影响进行了分析,为海底管道冲刷及防护技术的进一步研究奠定了基础。     

水流结构相互作用的粒子法数值仿真

提出了光滑质点水动力学法,对具有自由面的水流(体)与建筑物相互作用问题进行了数值仿真。应用该法求解了拉格朗日形式的纳维埃—斯托克斯方程,并对方程中的梯度、散度与拉普拉斯等项进行了相应的处理。光滑质点水动力学法具有计算格式简单、易于跟踪自由面和计算大变形问题等优势。最后,给出了水流(体)与建筑物相互作用的两个计算实例,结果表明,计算结果与其他方法给出的数据符合良好。