水平斜插板透空式防波堤消波性能数值模拟

通过改进已有的防波堤模型，建立了一种新型水平斜板透空式防波堤模型。基于VOF方法建立了波浪与水平斜板防波堤相互作用的数值模型。经数值模拟研究了该新型水平斜板防波堤结构对波浪透射系数的影响，主要考虑了斜板角度、波陡、相对板间距、相对板宽和相对出水高度等因素对防波堤消波效果的影响。模拟结果显示:①水平斜插板透空式防波堤比水平板透空式防波堤的消波效果好。在斜插板作用下，随着斜板角度增大，透射系数逐渐增大，但增幅逐渐减小；②随着波陡增大，透射系数先减后增；③随着水平板间距增加，透射系数增大；④随着防波堤相对板宽的增大，透射系数逐渐减小；⑤随着防波堤出水高度增加，透射系数先减后增。结果表明，该新型结构防波堤的消波效果显著，可以很好地消减波浪，应用前景良好。     

基于CIP法的波物相互作用强非线性数值模拟

极端波浪环境作用下,浮体易发生上浪拍击等强非线性现象,这一问题也是波浪与浮体相互作用研究的难点之一。该文基于高阶CIP(Constrained Interpolation Profile)法,采用THINC(Tangent of Hyperbola for Interface Capturing)数值技术精确捕捉自由液面,建立了二维多相流强非线性数值水槽模型。通过模拟线性波和孤立波的生成、传播过程,对该模型的收敛性、稳定性及造波性能进行了全面的验证与分析。利用该数值模型模拟和分析了极端波浪对浮体的强非线性作用。     

波浪作用下半圆型防波堤及其地基动力响应的数值模拟

防波堤和地基在波浪作用下的动力响应分析需要考虑波浪-海床地基-防波堤的相互作用。该文在通用数值分析软件ABAQUS的动力显式分析框架中,利用其自带的光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟波浪与海床地基和结构的相互作用,通过二次开发,引入了求解饱和土动力固结方程的位移-孔压耦合单元,模拟海床地基中超静孔隙水压力生成、扩散和消散过程,使得ABAQUS可以进行波浪-地基-结构的动力相互作用求解。并以长江口深水航道治理二期工程为例,建立了半圆型防波堤及其地基在波浪作用下动力响应的数值分析模型。首先,通过对室内模型试验的模拟对比,验证了数值模型的可靠性;然后,通过不同工况下的数值模拟计算,分析半圆型防波堤及地基动力响应的特点和规律。数值分析表明：防波堤受到的最大水平力和垂直力不会同时出现,存在一定的相位差;防波堤受到的波压力随水深的升高而减小,随波高的增大而增大;地基土体的超静孔压随着波高的增大而增大,随水深的升高而减小;防波堤的沉降随波高的增加而增大,随水深的升高而减小。     

内孤立波与有航速潜体相互作用数值模拟

基于两层流体中内孤立波的KdV-mKdV理论解,采用速度入口和开管道方法进行内孤立波数值造波与消波,建立了同时具有造波、造流和消波功能的数值波流水槽。利用所建立的数值波流水槽,对内孤立波与有航速潜体相互作用问题进行了数值模拟,计算分析了受力特性。数值结果表明,内孤立波造波结果理想,消波效果显著,在内孤立波流场中有航速潜体将会受到突发性冲击载荷的作用。研究表明,利用所述方法来研究内孤立波与有航速潜体的相互作用是一条有效的途径。     

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。     

用MPS方法数值分析孤立波与平板相互作用问题

表面孤立波与海洋结构物的相互作用常伴随有砰击、上浪等现象,是船舶与海洋工程领域需要研究的重要问题之一。该文采用基于无网格半隐式移动粒子MPS法开发的MLParticle-SJTU求解器,对孤立波与平板结构相互作用问题进行数值计算分析研究。模拟了二维孤立波对平板的冲击作用过程,得到的平板受力与实验结果吻合良好,验证了MLParticle-SJTU求解器在处理此类问题上的可行性。通过对孤立波与平板相互作用过程的三维模拟,观察到了有别于二维空间下的波浪在平板上表面演化过程,即呈现U型演化过程,说明对此类问题进行三维数值模拟的必要性。     

珊瑚礁上防波堤波浪爬高的数值模拟与特征分析

波浪在珊瑚礁礁坪破碎、传播后在防波堤产生爬高,波浪爬高是决定防波堤高程、人工岛高程的重要因素。基于FLOW-3D软件,建立了珊瑚礁上防波堤波浪爬高的数值模型。通过与物理模型对比,验证了珊瑚礁上波浪传播与破碎、非破碎波在防波堤爬高数值模拟的合理性。在此基础上模拟了波浪在珊瑚礁地形上破碎与传播、防波堤的爬高,表明:随着礁坪上防波堤离礁前缘距离的增大,波浪爬高逐渐减小,在距礁前缘约一个深水波长处的防波堤爬高已显著减小。     

波浪传播的数值模拟与物理模拟耦合模型

此文对于二维波浪的传播建立了数值模拟与物理模拟的耦合模型。模型中,数值模拟采用基于改进Boussinesq方程的三角形网格有限元模型,物理模拟采用推板式造波机。模型的求解采用空间五点的拉格朗日插值和时间的四阶Runge-Kutta格式。通过波浪模拟实验研究了耦合模型在不同波浪要素下的适应性。进一步针对于规则波和不规则波分别建立了实时修正由于造波机造波性能所引起的模拟误差的方法。波浪模拟实验结果表明,耦合边界附近数模结果与物模结果吻合很好,实时修正方法能很好修正由于造波机造波性能所引起的模拟误差,耦合模型和实时修正方法能有效建立起数模与物模的确定性联合。     

模拟波浪运动的三维自由表面流动数值模型

基于Navier-Stokes方程建立了三维自由表面流动数值模型来模拟波浪运动.模型中Navier-Stokes方程的求解采用两步投影法,计算域的空间离散采用交错网格.采用满足自由表面运动学边界条件的水位控制方程来计算自由表面.通过数值结果与解析解的比较,验证了本文建立的三维自由表面流动数学模型可以精确的模拟线性色散波以及孤立波沿平底坡和非平底坡的传播.     

基于SWASH模型的近岸波浪传播变形数值模拟

SWASH模型是一种新型的非静压时域波浪模拟。为了探讨SWASH模型对于解决近岸波浪传播变形问题的适用性,在对其控制方程、边界条件、数值解法等进行介绍的基础上,采用该模型分别模拟了正向规则波、斜向规则波和斜向不规则波入射条件下L形防波堤附近水域的波浪场和波生流场,并与物理试验结果进行对比。结果表明,SWASH模型较好地复演了波浪在近岸区域所发生的浅水变形、折射、破碎,以及堤前反射、堤内绕射等物理现象,波高沿断面的定量分布与试验结果吻合良好,同时较好地模拟了不同波况下防波堤附近水域的波生流场,说明该模型适用于复杂岸线和地形条件下波浪传播变形的数值模拟。     

珠江河口波浪—风暴潮耦合数值模拟

为提高珠江河口风暴潮增水的数值模拟精度,建立了珠江河口高分辨率的波浪—风暴潮耦合数值模型,该模型基于非结构三角形网格,对复杂岸形具有较好的适应能力.采用实测资料对模型计算结果进行验证,有效波高平均绝对误差为0.52 m,最大有效波高相对误差仅5.3％.运用该模型对1822号"山竹"台风风暴潮及波浪过程进行数值模拟,并分...     

基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。     

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。     

三维溃坝洪水在复杂淹没区域演进的数值模拟

溃坝数值模拟为溃坝洪水的灾害性分析提供科学依据。针对溃坝洪水在复杂淹没区域中的演进过程,建立了耦合VOF法的三维k-ε紊流数学模型,采用等效糙率法处理了复杂下垫面,兼顾考虑了建筑物群的滞水及阻水作用。运用无结构贴体网格划分技术,建立了六面体单元网格模型。离散格式为二阶LUD空间离散格式和二阶Crank-Nicholson时间离散格式,并采用PISO算法进行了数值求解。通过Testa等人的物理模型的实验结果验证了该模型的准确性。结合东武仕水库溃坝在下游复杂淹没区域中的洪水演进过程进行了数值模拟和分析,并绘制了溃坝洪水风险图。     

南海东北部陆架波折处潮-地作用激发非线性内波的数值模拟

南海东北部陆架波折处是大振幅内孤立波的频发地带.普遍的观点认为,这些内孤立波主要源自于吕宋海峡处潮流与海脊的相互作用;而对局地潮流-陆架波折相互作用的生成过程了解较少.本文通过一个二维非静力近似海洋数值模式,模拟了南海东北部陆架波折处潮流-地形相互作用激发内波及内波的演化过程,探讨了潮流周期、跃层深度对内波生成过程的影响.研究表明,潮流与地形相互作用能够激发向岸传播的内孤立子波列,证实了该海区内孤立波局地生成的可能性,但是相比于从吕宋海峡处传入的大振幅内孤立波,局地生成的内孤立波振幅要小得多.     

裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,提出了岛体边界条件,利用缓坡方程建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型。模型适用于变水深水域问题,克服了解析解只能适用于等水深水域的不足。直立圆柱和无穷小厚度岛式防波堤周围波浪传播的数值算例表明,数值解与解析解吻合良好,说明所建立的数值模拟模型能有效地模拟复连通区域内的波浪传播。矩形固定式防波堤周围波浪场的数值模拟说明该模型对工程实际有较强的适应性。     

气幕防波堤消波性能影响因素数值模拟研究

为研究气幕防波堤消波性能影响因素,将空气和水组成的两相流体处理为变密度单流体,通过UDF在连续方程中添加质量源项和动量方程中添加动量源项建立了气幕防波堤的数学模型,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,二者具有较好的一致性,验证了气幕防波堤数学模型建立的合理性。以此为基础,对影响气幕防波堤消波性能的因素如入射波高、管道淹没深度进行了数值模拟计算,并通过分析、比较得出相关结论。这些结论对气幕防波堤的实际工程设计、施工等具有一定参考价值和指导意义。     

三维离散裂隙网络渗流模型与实验模拟

本文根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制，将复杂的裂隙系统划分成带状断层、面状裂缝和管状孔洞三大类型，在忽略岩块渗透性的前提下，建立了由管状线单元、缝状面单元和带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型，为检验模型的合理性，在室内利用混凝土试块制成的离散体来模拟三维裂隙网络结构，设定不同的边界水位和降雨入渗对裂隙中渗流进行了实验，利用数值模型对实验结果进行了模拟，初步验证模型是合理而可靠的。     

基于RANS方法的波流耦合数学模型

基于RANS水动力方程和k-ε双方程紊流模型提出波流耦合数学模型,研究稳定流条件下波浪传播特性。模型采用体积分数法(VOF)捕捉自由液面,在计算区域两端分别给定进口速度和出口压力边界条件来造流,同时使用内部质量源造波法造波。数值模拟结果与相关试验测量数据吻合,表明所建耦合模型可准确模拟波浪与水流相互作用。研究发现波浪周期和水流速度对规则波流相互作用所产生的波面线和速度分布有明显影响。