缓坡开槽沙坝海岸裂流特性分析

天然沙坝海岸存在的裂流槽影响近岸污染物扩散和排放,进行了由反射墙反射的交叉波浪叠加形成的沿岸波高周期性变化所产生的裂流实验研究,分析在开裂流槽的平直沙坝模型实验地形随机波浪交叉叠加形成的裂流特性。实验中裂流由波浪在垂直岸线的直墙上的反射所形成的两列交叉的波浪生成,交叉波浪具有等波幅和等频率但入射角相反的两波列叠加产生的。通过对交叉叠加波浪下裂流槽附近范围的波高分布、波浪增减水和ADV流速测量结果来分析了缓坡地形开槽沙坝情况下的裂流特性。裂流槽和两侧沙坝位置形成的波浪破碎不同步产生的沿岸平均波面压力梯度是产生裂流的原因。不同周期引起的叠加波浪节腹点位置的变化从而影响裂流槽中裂流的形态,表明周期和裂流槽共同影响着沟槽中的裂流特性。     

基于新型三维辐射应力的近岸波流耦合模型

为了合理模拟近岸波流运动,基于考虑海底坡度影响的新型三维辐射应力公式,建立近岸三维波流耦合数学模型. 该模型引入2种波面水滚模式,考虑波浪附加水平紊动效应. 采用大量实测数据对所建模型进行验证. 结果表明,利用该模型可以较好地模拟近岸波浪传播以及增减水、沿岸流、底部离岸流、裂流等不同的近岸波生流现象. 该模型采用的波流耦合方式能够全面地反映近岸波流的相互作用,新型三维辐射应力公式较其他公式可以更准确地描述波生流的垂向结构. 对于不同的近岸流算例,获得更准确的模拟结果可能需要采用不同的水滚模式,说明更具普适性的水滚模型有待进一步的研究. 考虑波浪水平紊动会使模型计算出的流速平面分布更平滑,避免出现过于突兀的流场结果.     

水流对聚焦波特性影响的数值模拟

为了研究水流对聚焦波浪特性的影响规律,利用势流理论建立了聚焦波和水流混合作用的完全非线性数值水槽模型,在时域内利用高阶边界元方法进行模拟,并采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面.通过实时模拟造波板运动在均匀水流中产生聚焦波浪.通过对比发现,该数学模型可以准确模拟聚焦波浪的传播变形过程,并进一步研究了水流对聚焦波的影响,包括对聚焦波浪峰值、聚焦位置和聚焦时间的影响等.     

近岸波生环流的三维数值模拟研究

为研究近岸波浪破碎引起的复杂波生环流问题,本文基于三维水动力模型,引入随水深变化的辐射应力项,同时考虑波浪对水体紊动影响以及波流联合作用下的底部切应力,得到了波生流三维数值模型;模型基于非结构化网格拟合复杂的岸线变化,同时采用有限体积法进行数值离散。模拟了波浪浅化和破碎引起的斜坡地形上的垂向环流、人工岛后的平面环流以及波状地形下的裂流和沿岸流现象。结果表明:波致辐射应力的二维和深度分布不均会驱动平面和垂向的波生环流;同时与实验的比较,验证了本模式在计算近岸波生三维环流上的精确性和有效性。     

高桩承台桩基波浪受力分析

以深海桥梁建设中广泛采用的群桩基础为研究对象,发展了淹没承台下桩柱波浪作用力的工程计算方法。分析了承台效应系数随淹没深度、承台尺寸等参数的变化规律,并在时域内计算了波浪对桩柱的作用。承台与波浪的绕射问题采用基于势流理论和特征函数展开的解析法,绕射场内桩柱波浪力的计算采用M o riso n公式,通过与数值模拟的计算结果进行对比,验证了该方法的正确性。结果表明：不同的承台尺寸会使承台效应系数随浸入深度的变化有所改变。合力将随入射波数的增加而减小,合力点的变化将在特定波数下出现拐点。桩柱上波浪合力的最小值出现于承台迎浪一侧,最大值出现于承台背浪一侧及垂直于入射方向的承台两侧与背浪侧30°角范围内。承台的存在使得桩柱上的波向力出现偏向性并产生相位差,此时的群桩系数可取为0．7。     

规则波浪中舰船操纵运动计算

当船舶在波浪中处于尾斜浪或顺浪航行时,可能出现稳性丧失和横甩等现象,所以船舶在波浪中的操纵性问题已引起人们的关注.目前,关于该问题的大多数研究往往局限在有限的浪向角范围内.本文在船舶静水操纵性基础上,直接迭加高频的波浪力,建立一个波浪中高频运动响应的操纵性预报方法.用二维Frank源汇分布法计算船舶随摇荡频率变化的附加质量———波浪的辐射力,以及规则波浪的扰动力———Froud Krylov力,在六自由度运动方程上直接迭加所计算的波浪力,并引用静水操纵中船、桨、舵水动力的计算模型,建立了规则波浪中船舶操纵运动预报模型,并数值计算了一条高速方尾船舶在不同规则波浪的波长、波高和浪向角下的操纵舵回转运动和Z形操纵舵运动,附加质量和波浪扰动力根据运动中的遭遇频率和浪向角确定.数值计算的回转角速度、横倾角和纵倾角的变化规律与文献中单桨单舵船模试验有着相似结果.     

风、浪、流多场耦合作用波浪传播演化机理对比分析

风、波浪与海流在海洋环境中具有强烈的耦合性,准确描述波浪在耦合场中的传播规律尤为重要。为揭示风、流与浪耦合工况的实时演化机理,本文采用Fluent构建数值波浪水池,改进了风-浪耦合边界自由液面处风与水质点速度方向的一致性;在此基础上,研究了各工况波浪传播的时空演化规律并分析了水质点速度分布特性,最终提炼出风、浪、流多场耦合机理。结果表明:提出的改进边界风-浪耦合造波技术具有良好的稳定性和有效性;风-浪耦合后波谷下沉导致二阶Stokes波不再保持"谷坦"特征,浪-流耦合导致波高显著减小、波长变长,并伴随出现波群现象;各工况水质点在水平和竖向速度的相位分布呈现花束状,同时在T_0、T_4相位分别达到正向、负向加速度极值。     

基于SPH的新型人工块体TB-CUBE设计优化和水动力特性数值模拟

为探究高透空性新型人工块体TB-CUBE的最优结构尺寸型式及其水动力特性,本文利用基于光滑粒子方法的Dualsphysics开源代码开展斜坡堤新型人工块体TB-CUBE数值模拟研究,探究其在规则波作用下的爬高和越浪等水动力特性及波浪变化规律。研究结果表明：数学模型所模拟的爬高和越浪与物理模型试验的实测值误差分别在6%和9%以内,可较好的刻画波浪在人工块体上的演变过程。基于此验证模型,分析不同细部尺寸参数下块体的水动力特性,综合块体爬高、反射系数、越浪、块体孔隙率和材料用量等因素,得到最优消浪效果所对应TB-CUBE块体的球相对半径R1、圆柱相对半径 R2与块体边长h的关系。此基础上,以优化后的TB-CUBE块体为对象,分析其爬高和越浪的过程,揭示出该块体的消浪机理主要为相邻块体之间的圆孔对波浪的爬高和回落均有阻滞作用,且块体内部孔隙可以容纳水体并形成紊流效能,可以相应地减少波浪的爬高。此外,研究斜坡坡度、堤前水深、入射波高和波周期等对波浪爬高的影响,得到TB-CUBE块体爬高随入射波高和波坦的增大而增大,而随坡度的变化呈现单峰曲线的变化趋势。进一步的考虑不同波浪破碎形态对波浪爬高的影响,拟合得出TB-CUBE块体的爬高经验公式,公式拟合值与模型计算值相关系数达0.981,能够真实反映该块体的爬高情况,为今后该块体在海岸工程中的实践运用提供科学依据。     

毗邻双箱体间水体共振的非线性特性

为了研究毗邻双箱体间水体共振状态下的非线性特性,依据势流理论采用高阶边界元方法建立了时域完全非线性数值波浪水槽模型,采用域内源造波方法产生入射波浪,在水槽两端设置阻尼层消除波浪反射,在窄缝内引入人工阻尼项来模拟共振条件下的粘性耗散。通过数值结果与实验数据的对比,确定了不同入射波高条件下窄缝内的阻尼参数,研究发现,随着入射波波高的增大,共振频率处表征粘性耗散的阻尼强度增大,双箱体迎浪侧波浪爬高的非线性特征增强,而窄缝内水体的共振频率所受影响有限,且无因次共振波高减小。     

毗邻双箱体间水体共振的非线性特性

为了研究毗邻双箱体间水体共振状态下的非线性特性,依据势流理论采用高阶边界元方法建立了时域完全非线性数值波浪水槽模型,采用域内源造波方法产生入射波浪,在水槽两端设置阻尼层消除波浪反射,在窄缝内引入人工阻尼项来模拟共振条件下的粘性耗散。通过数值结果与实验数据的对比,确定了不同入射波高条件下窄缝内的阻尼参数,研究发现随着入射波波高的增大,共振频率处表征粘性耗散的阻尼强度增大,双箱体迎浪侧波浪爬高的非线性特征增强,而窄缝内水体的共振频率所受影响有限,且无因次共振波高减小。     

交汇角度对黄河上游高含沙交汇区淤堵影响的试验研究

黄河上游支流——十大孔兑的高含沙洪水在入黄交汇区形成沙坝、淤堵干流的过程是一种典型的干支流交汇现象,对交汇区河床演变、防洪和工农业生产有重大影响,因此研究减轻高含沙交汇区沙坝淤堵的治理措施是一项十分必要和迫切的工作。本文通过模型试验研究了干支流不同交汇角度对孔兑与黄河高含沙交汇区沙坝淤堵规模的影响。模型试验以产生的高含沙洪水淤堵黄河干流次数最多、危害最大的孔兑之一——西柳沟与黄河交汇的干支流河段为模拟对象,采用黄河高含沙水流动床模型相似律进行模型设计,选取90°、60°、30°和15°作为试验交汇角度,分别开展了清水和浑水交汇试验,获取交汇区水流分区特性和沙坝淤堵规模特征。研究结果表明：随着交汇角增大,支流对干流的顶托作用增强,交汇口上游壅水区流速逐渐减小,水深增大;交汇角较小时交汇口下游形不成回流区,交汇角增大到30°以后回流区形成并随交汇角增大而增大,伴随着高流速带向对岸移动;壅水区和回流区沙坝尺度随交汇角增大而增大,交汇角较小时形不成壅水区淤积体和回流区淤积体,但易形成交汇口对岸淤积体,其尺度随交汇角增大而减小,与回流区淤积体互为消长。交汇口以上主槽的淤堵由壅水区淤积体构成,交汇口下游主槽淤堵由回流区淤积体和对岸淤积体共同构成,当交汇角为30°时交汇口上下游主槽总体淤堵规模最小。从河道淤堵规模和河岸稳定方面综合分析认为,在现状河道和水沙条件下,30°是有利于减轻孔兑与黄河高含沙交汇区淤堵的较优交汇角,这对交汇口河道整治具有重要指导作用。     

Effects of water wave motion on pollutant transport in shallow coastal water

Based on the study of the wave propagation, breaking, longshore current and the effect of wave on current structure in the near shore area with a mild bottom slope, the wave is considered to be an important dynamic factor for pollutant transportation in the coastal water. Numerical simulation shows that the pollutant will transfer along shore when the incident wave is at an angle to the shoreline. This phenomenon is very significant if the outfall is located in the surfzone. Therefore, in the design of sea outfall, to improve near shore environment, the water wave should be considered as an important hydrodynamic factor.     

波浪模拟及其对水下航行体出水过程影响

为了研究波浪对水下航行体出水过程的影响,将二阶Stokes波的波面运动速度耦合到入射边界条件中,得到了与理论值吻合良好、精度较高的非定常数值波浪;研究了五级海情条件下,水下航行体模型水下垂直发射时波浪对其流场、力学特性等的影响.结果表明,水下航行体近水面时,受波浪引起的旋涡的诱导作用,航行体两侧附体旋涡位置、尺寸等差别...     

ZnS离子束抛光过程中的粗糙度演变

为了得到离子束抛光ZnS的工艺参数,采用微波离子源作为抛光源,分析了离子束能量、离子束流大小、离子束入射角度对ZnS刻蚀速率及表面粗糙度的影响,比较了ZnS刻蚀速率及表面粗糙度的变化趋势.研究结果表明:当离子束能量为400eV、离子束流大小为35mA、入射角度为45°时,ZnS表面粗糙度降低了0.23nm.     

Si/SiO_2周期性多层膜反射特性的FDTD数值模拟

Si/SiO2周期性多层膜是一种电介质型频率选择表面,它与金属型频率选择表面相比具有较小的吸收损耗。从介质波导理论出发,可以分析电介质型频率选择表面的反射与透射机理。与均匀介质层相比,介电常数呈周期变化的电介质层可能会激发出满足相位匹配条件k0sinθ=βg的导波模,从而在介质板的上表面与下表面辐射出与导波模具有相同波数的平面波。介质层上再辐射的平面波与上表面直接产生的反射波叠加便形成了总的反射场。当两种波相位相同时,就会增强总反射,否则反射将会减弱,并且透射波也会有相同的规律。采用周期结构时域有限差分方法可对一种Si/SiO2周期性多层膜的反射特性进行数值模拟,并计算出波长在1~100 mm微波波段的反射系数。计算结果表明,当入射角为45°时,入射波长在5,9,20 mm处具有很高的反射系数(均达到0.88以上)。因此,通过调整相关参数可以获得所需的频率选择表面。     

洋山海域三维潮流和余流特征的数值模拟

基于最新的水下地形数据和非结构网格,利用有限体积海洋模型（FVCOM）,建立洋山海域高分辨率水动力数值模型,研究该海域建港工程后潮流和余流的三维动力学特征. 结果表明,峡道西部涨潮流大于落潮流,东部相反. 南岛链以南海域流速均大于北岛链以北流速,峡道窄口处出现高流速区和环流现象,涨潮流表层最大流速可达2.88 m/s. 涨憩时刻,南岛链南岸和北岛链北岸都形成表层向北、底层向南的表-底层环流,落憩时刻相反. 落急时,深水航道处出现表层向南、底层向北的表-底层环流. 受围海造地工程后地形影响,峡道内M₂分潮潮流椭圆主轴均沿岸线方向. 与工程前相比,峡道效应增强. 洋山海域整体以海向余流占优,但峡道内形成陆向余流. 峡道窄口处存在余流分离现象,峡道西部余流滞流点东移.     

各向异性特异材料界面的反常折射与反射性质

根据电磁场边界条件和色散关系,理论研究了电磁波从各向同性右手材料向各向异性特异材料入射时的反常折射与反射性质,结果表明,从各向同性右手材料向never cutoff型特异材料入射时,透射波的波矢和坡印廷矢量的反射角具有相反的符号,折射角的幅度随着入射角的增大而增大并趋于一定值;研究了磁导率张量参数对折射角的影响,对于anti-cutoff型特异材料界面,当入射角小于临界角θc时可以发生反常的全反射,而对于always cutoff型特异材料界面总会发生全向全反射。这些电磁性质将在部分聚焦与全向反射镜方面具有潜在的应用价值。     

斜入射条件下的琼斯矩阵

分析了在光斜入射时琼斯矩阵失效的原因。研究了小角度入射时e光和o光矢量方向差异及其偏振方向相对于90°的偏离。分析并类比垂直入射时建立坐标系的原则和办法,在小角度条件下重新建立了实验室坐标系和晶体坐标系,求出了坐标系间的变换角,并对其误差进行了讨论。不采用两光波方向相同的假设,也不加晶体主折射率相差不大的约束,推出了斜入射条件下o光波与e光波的相位差表达式。建立了斜入射条件下的琼斯矩阵。当光斜入射时,在新坐标系下采用小角度近似,琼斯矩阵方法可以在极小的误差下有效使用。研究结果为双折射波片或系统中光束传播特性的研究提供了理论支持和有效工具。     

三维复杂目标电磁散射的FDFD分析

根据Yee元胞中电场分量的分布特点,对矢量Helmholtz方程进行差分离散,得到关于各电场节点的FDFD方程式。基于等效原理,在总场－散射场（TF/SF）边界处设置等效电磁流,通过将TF/SF边界附近各电场节点FDFD方程式中的相关节点加上或减去相应的入射场,将平面波引入总场区。导体立方体表面电流幅值与相位分布的计算结果与文献结果的比较验证了该方法的正确性。