波浪冲击过程的湍流数值模拟

本文通过无反射数值波浪水槽研究了周期波浪对浪溅区结构物的冲击作用，控制方程为雷诺时均方程，采用ｋ－ε紊流模型及在近壁区应用壁函数。建立了适合ＶＯＦ方法的水体与结构物接触与分离的数值边界条件及动量方程的对流项采用了三阶迎风差分格式以消除数值粘性的影响。通过数模得到了波浪对位于浪溅区结构物底面的波浪冲击压力幅值及沿底面分布的定量结果，讨论了不同结构物尺度及距静水面高度对冲击压力沿建筑物底面分布的影响，     

渤海海冰动力学的质点网格法数值模拟

为准确计算渤海海冰的动力过程，本文将质点网格方法(Particle—in—cell，简称PIC)，引入到渤海海冰数值模拟中。该方法首先在欧拉坐标系下对海冰动力方程和连续方程进行差分求解，并插值出各网格内海冰质点的速度和密集度，然后在拉格朗日坐标系下对海冰质点的位移和各网格的平均冰厚进行确定。PIC方法将欧拉法与拉格朗日法相结合，避免了欧拉坐标下有限差分法的数值扩散和拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学计算量大的缺点。在对渤海海冰动力过程的数值模拟中采用了Hibler的粘塑性本构模型，并考虑了海冰热力作用过程。利用PIC方法对辽东湾海冰进行了48h数值模拟，结果表明：该方法可成功地处理海冰流变过程，精确计算出冰缘线位置和海冰分布状况，对海冰厚度和密集度的计算精度均优于有限差分法。PIC方法在精确模拟海冰的重叠和堆积过程，以及为冰区油气作业提供详实的海冰信息方面都有良好的应用前景。     

杭州湾秦山水域设计波浪数值模拟

根据杭州湾地理、波浪特点及测站布置情况,通过测站波浪变形计算和以风速资料进行风浪成长、传播计算2种途径,采用SWAN模型对秦山水域设计波浪进行模拟和分析,并对计算方法和模型的适用性进行了探讨.     

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。     

近岸波浪的Boussinesq型方程模拟及其应用

该文首先对近岸波浪数学模型的研究、发展、应用进行了回顾和总结,对各类波浪数学模型的特点进行了简单分析。基于改进的Boussinesq型方程建立了一个完整的近岸波浪数学模型,通过对方程的拓展,综合考虑了模型的造波、消波、动边界处理、波浪破碎等问题。拓展后的数学模型用P-C（预测-校正）法进行数值求解,计算效率高、稳定性好。采用两个经典地形试验数据对模型进行了的验证,数值结果和实验值吻合较好。最后,利用该模型进行了某渔港港池内波浪条件的数值模拟,给出了不同时刻港池内的波面情况,得到了合理的结果。     

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。     

波浪驱动下的近岸流数值模拟

波生沿岸流是近岸流场结构中的重要组成部分,也是近岸泥沙搬运和水环境输移的重要动力因素。建立了基于波浪辐射应力的平面二维波浪潮流数学模型,采用近似黎曼解的Roe格式有限体积法对模型求解。通过对概化模型试验不同波浪入射下的沿岸流模拟,并与已有模型成果对比,验证了模型应用的广泛性和正确性。重点分析了不同潮滩坡降对沿岸流的影响,并得到沿岸流的一般规律性认识。结果表明,岸坡越陡,近岸沿岸流越大,水位波动也越大,缓坡上波生沿岸流影响的范围明显大于陡坡。     

浅水FPSO舷侧波浪数值模拟

单点系泊FPSO具有风标效应,因此船首迎浪时的甲板上浪问题广受关注,然而在非共线海况下斜向迎浪时,会存在舷侧甲板上浪现象.基于FLUENT软件,建立三维数值波浪水池,对浅水中的FPSO在首迎浪、首斜浪时舷侧附近的波浪变形和波浪爬升现象进行数值模拟,对舷侧甲板上浪特性进行研究分析.结果表明,首迎浪时舷侧波浪爬升和甲板上浪不明显,首斜浪时波浪爬升主要集中在船舯附近,舷侧波浪受到反射波叠加的影响,波浪水体形成堆积和爬升,导致舷侧比船首更容易发生甲板上浪.     

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。     

随机波浪边界层的数值模拟与分析

该文基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和k-ω两方程紊流模型建立了随机波浪边界层数学模型,模拟了粗糙底床上方的随机波浪边界层流速、床面剪切应力和紊动能量分布,计算结果与实测数据吻合良好。探讨了随机波浪边界层水动力特性,发现随机波浪时间序列中各个子波的紊动能量近似随该子波均方根自由振荡速度平方的增大而线性增大,但各个子波的紊动能量还受到上一个子波紊动能量传递的影响,体现了随机波浪与规则波浪的区别。整个随机波浪时间序列的有效摩阻系数和单个子波的摩阻系数均与前人实验数据和经验公式较为一致。     

辽东湾区域性漂移海冰的SPH数值模拟

在海冰动力过程的数值模拟中引入SPH法，采用Hibler的粘塑性海冰本构方程，并考虑海冰的热力过程，对辽东湾海域区性漂移海水进行了96h数值模拟，计算结果与海冰的实际演化过程吻合，分析表明，海冰内力对冰速、冰厚和密集度的分布有较大影响，在区域性在海冰数值模拟中应予以考虑。     

斜坡式防波堤前海冰堆积数值模拟

本文将海冰在斜坡式防波堤前的堆积过程简化为二维的动力学问题，假定海冰为粘弹性体，在多边块体运动模拟系统基础上，采用离散元数值方法对冰排爬升堆积过程进行了实时仿真模拟。通过与二维理论断裂模型及物理模型试验结果对比，证明了此数值模型的合理性与可行性。     

沧州渤海新区海冰资源开发利用的可行性分析

京津冀协同发展战略及河北省沿海地区发展规划的提出,促进了环渤海经济圈的发展,沧州渤海新区地处环渤海经济圈的核心地带,城市化进程不断加快,使得水资源需求变大,加重了水资源短缺的形势。本文通过分析、统计新区的气象、水量及规划数据,计算了沧州渤海新区的供需水量。结果表明:到2020年需水量约为4.03×10~8m~3/a,预期可供水约3.27×10~8m~3/a,水资源缺口近7600×10~8m~3/a。运用ENVI软件解译黄骅海域的遥感影像,预期新区可开采海冰量约为1.76×10~8m~3,供水约为8 800×10~8m~3/a。因此,沧州渤海新区的海冰储量可观、淡化成本低、水质好,淡化水可替代生态及部分工业用水,海冰资源的开发利用的前景广阔,可行性高。在新区内尝试开发利用海冰资源不仅可以减轻灾害损失,缓解水资源短缺问题,还为我国其他饱受海冰灾害影响的沿海地区提供参考和指导。     

冰盖下冰塞堆积的数值模拟

基于贴体坐标转换和有限体积法,用k-ε两方程模型模拟水体的运动,在同位网格上使用动量插值法避免了压力的波动。建立了冰塞面的变形方程,并用C语言编写的程序对冰塞堆积进行了数值模拟计算,对比实验室中冰塞堆积试验的结果,两者的吻合较好。     

渠道冰凌下潜的数值模拟研究

冰凌下潜是冰塞形成和发展的基础,控制冰凌的下潜对于保证输水工程的安全和输水能力有重要的意义。本文采用 VOF 方法追踪自由水面,结合 RNG k-ε紊流模型,对浮冰块底面水压差分布进行了数值模拟。通过与Dow Ambtmand 的物理模型试验数据的对比,验证了该数值模拟方法的合理性和可靠性。基于冰块底面的水压差分布特征,分析冰块的下潜力矩 Mu,研究冰凌下潜的临界条件。发现冰块下潜的临界条件涉及到冰块前缘形状和由冰块厚度（δ）、长度（L）与冰块上游水深（H）构成的特征几何尺寸（δ/H、δ/L）：同条件下前缘矩形断面冰块较前缘圆形断面冰块易下潜;δ/L 一定时,δ/H 越大,冰凌下潜临界冰厚弗劳德数 Ftcr越小,临界水流弗劳德数 Frcr越大;δ/H 一定时,δ/L 越大,则 Ftcr和 Frcr均越小。根据数值模拟和力矩平衡分析的研究结果,提出了天然冰凌下潜的判断准则。     

流凌条件下弯道水力特性数值模拟

采用VOF技术,利用RNG k-ε湍流模型,结合拉格朗日粒子模型,通过建立弯曲度不同的弯道,对流凌条件下弯道的水力特性进行了模拟研究.结果表明:流凌过弯后主要集中在凹岸,集聚明显;流凌的存在增大了凹岸表层水流的横向环流,在一定程度上影响凸岸底部大环流的发展;各弯道进口断面最大水面流速均大于出口;随弯曲度的增大,冰水流凹...     

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。     

部分冰盖下水流水力特性数值模拟

运用Fluent软件建立雷诺应力模型,模拟不同冰盖覆盖度下恒定均匀流流场,从纵向时均流速、二次流、雷诺应力、紊动能等方面揭示部分冰盖下水流的水力特性。结果表明：岸冰的形成会导致冰盖下水流在断面上重新分配,明流区流速增大,冰盖下流速减小;横向动量交换产生复杂的二次流结构,涡体形状、数量、大小和位置随着冰盖覆盖度的增加而变化;雷诺应力断面分布较复杂,冰盖附近区域雷诺应力为负值,负值区范围与冰盖覆盖度密切相关,并凸向明流区;冰盖、边壁和床面的粗糙度不同导致紊动能在断面上的分布呈现出明显的差异,冰盖区紊动能大于明流区的值,反映出岸冰对冰盖下水流结构影响的复杂性。     

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。