非淹没双直立圆柱系统波浪爬升的数值模拟

波浪爬升是近海构筑物和海洋平台结构设计中的重要参数。全面掌握波浪的爬升特性有利于结构的安全保证和优化。采用有限元方法建立了求解Berkhoff缓坡方程的数值模型，并计算了非淹没单个直立圆柱周围的波高分布，计算结果与解析解吻合很好。以非淹没双直立圆柱为研究对象，探讨了圆柱间距对波浪爬升的影响。结果表明:上游圆柱周围的波高分布曲线波动较大，但最大相对波高和最小相对波高的发生位置基本与单个圆柱的情况相同；当圆柱间距为1/4波长的奇数倍时，最小相对波高明显减小，圆柱肩部出现第二峰值；而当圆柱间距为1/4波长的偶数倍时，最小相对波高则明显增加，圆柱肩部出现第二谷值。下游圆柱周围的波高分布曲线与单个圆柱的情况相似，但波高相对较小。     

聚焦波浪与直立圆柱作用的数值模拟

基于Fluent平台建立了可用于波浪传播模拟的数值计算水槽,利用不同波浪参数的线性规则波模拟分析了网格尺度L/Δx对产生波浪质量的影响,确定数值水槽的网格划分尺度,并验证了阻尼消波的有效性。在此基础上,用模拟频谱的方法对聚焦波浪的传播进行了数值模拟,通过数值模拟与物理试验不同位置处的聚焦波波面和聚焦点下水质点速度时间过程线对比,验证了模拟频谱方法数值计算的有效性。进一步对聚焦波浪与直立圆柱的作用进行了数值模拟,数值模拟聚焦波面过程、聚焦波浪水质点速度、圆柱周围波浪波动过程、圆柱上所受的波压力等,并与试验结果进行了对比,数值计算结果与试验结果吻合很好,验证了所建立的数值水槽的有效性。对聚焦波波面和压力特征值进行了误差分析,并分析了误差的产生原因,为进一步研究聚焦波浪与工程结构物的作用奠定基础。     

非淹没圆柱群局部水流场特征分析

本文基于带自由表面水动力学数值模型,采用双方程k-ω的剪切应力输运(SST)湍流模式,对非淹没刚性圆柱群水流场进行了三维数值模拟。通过与实验数据的对比分析,验证了模型的有效性及模拟精度。通过圆柱群绕流场特征的模拟分析,探究了不同圆柱雷诺数和固体体积分数对柱群内剪切层渗入长度(δ)、柱群后尾流区剪切层长度以及床面应力空间分布特征的影响。     

淤泥对波浪衰减作用的数值模拟

作者建立了波浪-淤泥相互作用数学模型并利用模型分析了淤泥床面上波浪的衰减特性。与以往的波浪淤泥相互作用模型相比，本文模型引入了淤泥床面上波浪边界层以及波浪紊动的变化特性。模型结果与实验数据相比有较好的一致性。模型分析了波浪边界层厚度，泥层Stokes边界层厚度以及泥层振幅相位滞后与波浪衰减率之间的相关关系，并给出了波浪衰减率达到最大时各参量的变化范围。     

波浪作用下海床液化的数值分析

较大的风浪会使海床发生液化,波浪引起的海床液化问题是海岸及近海工程必须要考虑的关键问题之一。当海床内部土骨架的有效应力转移给孔隙水压力进而变为零时,土体将丧失剪切强度出现液化现象。基于Biot固结理论,利用软件FLAC,分析波浪作用下海床的动力响应,可推出波浪作用下海床最大液化深度,同时也可以得出波浪作用下海床液化的过程,即孔隙水压力上升、土层液化、液化后土层下沉压缩以及孔隙水压力消散,所得结果较好地反映了波浪作用下海床液化的规律。     

波流作用下淹没圆柱局部冲深影响因素分析

淹没圆柱在海洋工程中运用广泛,局部冲刷对此类建筑物的安全有较大影响。为掌握该类型建筑物在波流作用下的冲刷特性,在波流水槽内开展了一系列试验研究。试验将圆柱模型安装在波流水槽中部的沙槽内,沙槽内铺设中值粒径0.22 mm的无黏性沙,形成平底海床。试验中圆柱处于淹没情况,改变入射波流条件,观测多种波流作用下,不同高度淹没圆柱周围的局部冲刷深度发展过程,分析了多种无量纲参数对局部冲刷深度的影响。结果表明:当KC数不变时,冲刷深度s/D随着相对流速U_cw和Fr的增大而增大,当Fr增大到一定程度时(Fr>0.80),冲刷深度s/D趋于稳定; U_cw在固定范围内时,冲刷深度s/D随KC数的增加而增加,增长速率逐渐变慢; 引入淹没因子K_s,得到了淹没圆柱与非淹没圆柱的冲刷深度计算关系式。     

波浪对渤海近岸海冰冲击作用的数值模拟

海冰在波浪冲击作用下可能会发生断裂,通过数值模拟定量地描述波浪引起的海冰断裂对海工结构的运行安全以及分析海冰断裂处海水与大气之间的热交换有重要作用。该文利用建立的三维数值波浪水池,将海冰视为刚性平板,结合渤海冬季海冰、波浪的相关参数,研究海冰受波浪冲击的垂向冲击力、水平冲击力、弯矩和最大弯曲正应力随波高、冰长及冰厚的变化规律;并结合渤海海冰的弯曲强度,推断海冰发生断裂的极限参数,结果表明:在渤海海域某些特定条件下,海冰断裂极限波高、冰长和最小冰厚分别为0.504 m、4.273 m和0.098 m。     

直立圆柱与波浪的相互作用

本文根据线代波浪理论分析波浪和物体间的相互作用。波浪对运动物体的作用由耦合元方法计算,流体与固体的运动通过线化理论分解开来;根据耦合条件建立联列方程组,原则上该方法可用于任意形状物体和线性波之间的耦合运动,二个算例表明本方法是有效的。     

横向流动对振荡圆柱作用的直接数值模拟

在热交换器内横向流动引起的管阵的振动对于热交换器的寿命和安全性有严重的损害,因此研究流动引起的柱体振动及其对流动的反作用是一个有工程意义的课题。本文的目的是用直接求解N-S方程的方法来再现振荡流,并且用数值的方法求出流体对振荡圆柱的作用力。另外将振荡流不同时刻的流动图象连续显示出来,就能动态地显示这一振荡流动。     

波浪作用下黏性土海床动力响应数值分析

波浪作用下黏性土海床的动力响应对于海洋建筑物的稳定性具有重要的影响。在大型有限元软件ABAQUS平台上进行二次开发,根据重复性原理(repeatability principle)在有限元模型中设置侧向边界条件,采用Carter等(1982)提出的改进剑桥动力本构模型模拟海床土体。首先通过与有关弹性海床在波浪荷载作用下力学响应的解析解的对比,在一定程度上验证了有限元模型的合理性。进而通过参数对比研究,探讨了波高、波浪周期、海床土体的渗透系数等因素对于弹塑性黏性土海床力学响应的影响。计算结果表明,在波高较大、周期较短、土的渗透系数较低情况下,容易导致黏性土海床丧失稳定性。     

波浪荷载对半圆型潜堤作用的数值分析

基于动量源数值造波原理,运用Fluent软件模拟了半圆型潜堤表面波压的分布及变化规律,采用π定理分析了波陡、水深及波长对半圆型潜堤表面波浪力的影响,并通过统计潜堤表面各点所受压力（最大波压力与最小波压力的差值）最大值的分布,给出了半圆型潜堤表面压力最大值出现的位置及概率.分析结果表明,在水深较深时,波陡的改变会使波压力在堤顶至背浪侧发生明显变化;水深波长比的改变,会引起半圆堤两侧波压力不同的变化;波压力的最大值一般发生在堤顶处及其偏向背浪侧附近;半圆堤面上的动波压力最大值主要出现在两侧堤脚附近,随着波高的增加,堤面上各点的动波压力由近似对称分布向两侧受力不同转变.     

多向聚焦波浪作用下直立圆柱受力的实验研究

利用波能聚焦的方法在水池中模拟产生多向聚焦波浪,研究了多向极限大波作用在垂直圆柱上引起的波浪力的特点。实验中研究了不同的波浪参数,如聚焦波幅、谱峰频率、频率宽度和方向分布等多向聚焦波浪对圆柱作用的影响,并将实验结果与二维实验结果进行了比较。结果表明聚焦波浪参数对圆柱作用力具有明显的影响,并且实验结果与二维规则波结果相当,但比二维聚焦波浪实验结果要小。     

波浪作用下直立圆柱结构高频响应现象的研究

当较大波浪与结构物作用时会引起结构的高频响应,对结构安全构成极大威胁。该文通过物理模型实验,考虑了不同波浪参数和结构尺度,对极限规则波浪作用下直立圆柱结构的受力进行模拟,观测结构高频响应现象并分析其形成机理。实验中发现,当波陡超过一定临界值,波浪作用下结构受力会出现"secondaryloadcycle"现象,同时伴随高频响应现象发生。进一步针对"secondary load cycle"现象进行分析表明,"secondary load cycle"现象主要受波浪陡度影响,当波浪陡度(H/L)大于0.095tanh(kh)时,结构就会产生"secondary load cycle"现象;而且高频响应远高于波浪高阶成分,它并非由波浪与结构物非线性作用产生,而是结构的一种高频自振现象。该现象产生的机理是由于波浪经过结构产生较大涌高,涌高水体坠落对结构产生瞬时的挤压,进而造成了结构的高频振动。     

多股多层水平淹没射流数值模拟研究

多股多层水平淹没射流是一种新型消能型式。本文采用VOF(Volume of Fluid)法和RNG k-ε紊流模型结合向家坝水电工程对多股多层水平淹没射流进行了三维数值模拟，将计算值与实验值进行了对比，计算值与实测值吻合较好，表明数值模拟方法是研究消力池水流运动规律及消能机理的有效途径。文中分析讨论了多股多层射流进入消力池后的水流结构与消能机理，研究结果表明：多股、多层射流进入消能水体时，在各主流的四周有一个消能旋滚，形成多个强剪切层消能区，消能率较高，但在平面上没有形成明显的、贯穿的立轴旋涡。同时，由于各漩滚的相互作用，能有效减小对消力池固壁的冲刷。     

非淹没丁坝端坡对附近水流结构的调整作用

为了研究非淹没丁坝端坡对水流结构的调整作用,采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法,比较丁坝阻水面积相等条件下端坡系数分别为0,3,5和7时丁坝附近的表层平面流场、底层平面流速分布和底层切应力分布情况.结果表明:(1)端坡系数的增加使得丁坝下游表层相对回流长度和相对回流宽度减小;(2)端坡的存在能够显著减小底层平面强相对流速范围和强相对切应力范围,且端坡系数越大效果越明显.     

波浪和水流对大直径圆柱的共同作用力

本文将波流共同对圆柱作用的速度势分成合模势（无自由表面的绕流速度势）、流兴波势和非定常波势三部分。忽略小量的流兴波势，考虑合模势对非定常波势的影响，用直接边界元法求出非定常波势，从而求出波流共同对圆柱的作用力，提出了沿流线的自由表面条件和波流共同作用下散射波的幅射条件。文中给出了波流对大直径圆柱作用力曲线，可供工程设计使用，适用条件是相对水深ｄ／Ｌ＞０．１５，相对流速Ｕ／ｃ＜０．２。     

波浪—水流共同作用下的紊动边界层数值分析

本文利用k-ε方程求解了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊流边界层的紊动结构。分析的结果表明：在边界层内，波浪和水流的耦合运动不是简单的线性迭加，而是呈非线性特性。波浪的存在在很大程度上影响了水流的流速分布，然而，水流对波浪的流速分布影响却很小。数值解与实验结果吻合较好，在不引入涡层粘度假设的情况下，给出了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊动边界层的结构特性。     

淹没水跃的数值模拟

本文通过求解时均N－S方程κ－ε紊流模型，数值模拟了淹没水跃由静止到最终稳定的全过程。采用隐式非正交同位网格有限体积法离散控制方程组，利用动网格技术跟踪自由表面，并由Orlanski开边界条件得到无反射的出口边界。文中给出了淹没水跃在不同时刻自由表面形状、内部流场结构和流速矢量的变化情况，并与试验资料进行了比较。结果表明，本文方法能够准确有效地描述淹没水跃这类复杂自由表面流动的紊动特性。     

波浪作用下非恒定输沙规律研究进展

为了准确计算一个波浪周期内净输沙率的大小和方向,需要研究波浪作用下非恒定泥沙输移规律。介绍了过去20多年国内外学者在大型往复流水道和波浪水槽中开展的非恒定输沙试验以及原型观测结果,总结了相位滞后效应参数的定量刻画以及不同半-非恒定净输沙率模式的构建,探讨了现阶段需要着重解决的关键问题。指出未来需要重点研究不同波况(包括波浪破碎、长波、波流相互作用等)下颗粒的起动延迟或沉降延迟造成的非恒定输沙过程的动力机制,准确刻画泥沙在波浪前、后多个半周期内的交换关系并将其反映在净输沙率的计算公式中;此外还需要深入研究非均匀沙的非恒定输沙过程(包括垂向分选等),并构建相应的净输沙率计算公式。