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。     

振荡层流边界层运动的格子Boltzmann模拟

将波浪作用下的振荡边界层问题化为振动平板边界层问题，利用格子Boltzmann方法中不可压缩的模型模拟了线性波和椭圆余弦波作用下的层流边界层流速变化，并和理论解进行了比较。算例表明，不同波浪条件下的数值模拟结果和理论解吻合较好，仅在流速较小的相位时两者在近床面处有较大误差，误差的形成主要与边界条件的精度有关。     

多层水平板衰减波浪的影响因素分析

基于线性波浪理论,进行多层水平板对波浪的反射和透射作用研究。通过分解速度势为对称势和反对称势,结合特征函数展开法,在考虑水平板厚度的条件下由匹配条件确定速度势展开式中的待定系数,进而得到结构对波浪的反射系数和透射系数。所得结果与现有相关的理论解、数值解以及试验结果吻合较好。对相对水深、相对宽度、相对厚度以及水平板层数等对结构衰减波浪的影响进行了深入探讨和分析,给出了反射系数和透射系数随上述参数的变化规律。     

斜向流作用下流浪的变形及破碎

当波浪自元流区斜向进入有流区后，不仅波要素发生变化，波浪传播方向也发生变化，即产生折射。作者根据线性波浪理论计算了波浪折射后的波要素变化情况。作者也曾通过实验分析和理论计算对正向流作用下波浪的变形及破碎问题进行过详细的研究。为了进一步研究波浪折射对变形及破碎的影响，本文计算和分析了斜向流作用下缓坡上规则波浪和不规则波浪的变形及破碎过程，取得了以下两方面的成果：１）正向流作用下波浪的破碎指标及研究方     

曲线坐标系下波浪传播的数学模型及其比较与验证

引入自适应网格技术,建立了曲线坐标系下考虑能耗影响的缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型,通过在模型中引入能量耗散项以更好地处理全透射边界。基于原型缓坡方程,完善了等水深的轴对称双导堤水域内波浪传播的精确解表达式及其计算结果;提供了等水深的环形河道水域内较为详细的精确解。在极坐标系下就等水深的轴对称双导堤水域内波浪的传播,推导了缓坡方程的小角度抛物近似模型的解析解表达式。就上述两水域内波浪传播的数值模拟模型的数值解、抛物近似模型的解、精确解进行了详细比较,说明数值解与精确解相吻合、数值模拟模型比小角度和大角度抛物近似模型具有更高的精度。数值模拟模型能较好地模拟水深复杂变化的地形上波浪的传播,能有效反映波浪传播过程中的多种物理现象。     

直立式防波堤基底波浪渗流压力解析解

直立式防波堤的波浪荷载除了来自波浪场中的作用力外,还有海床渗流引起的波浪渗流力的作用,后者也是不容忽视的环境因素之一。本文对无限厚度可渗可压缩海床情况,给出了直立式防波堤下海床中波浪渗流压力的封闭形式的解析解,进而可以给出作用在防波堤基底上的浮托力和倾覆力矩。分析中考虑了土介质变形和孔隙水压缩性,渗流压力的控制方程为P=C_8P/t。海底面上的波浪压力采用了线性波浪理论的结果。     

随机波浪作用下底部层流边界层剪应力谱的研究

本文在随机波浪底部剪应力的研究中引入了波浪谱的概念。根据浅水波的特点，将波浪谱作为输入谱，通过传递函数确定作为输出谱的随机波浪作用下的底部剪应力谱。本研究中研制了一套底部剪应力测量仪。对于层流边界层得到了底部剪应力谱的理论解，并得到了实验的检验。     

斜向流作用下波浪的变形及破碎

当波浪自无流区斜向进入有流区后，不仅波要素发生变化，波浪传播方向也发生变化，即产生折射．作者曾根据线性波浪理论计算了波浪折射后的波要素变化情况。作者也曾通过实验分析和理论计算对正向流作用下波浪的变形及破碎问题进行过详细的研究．为了进一步研究波浪折射对变形及破碎的影响，本文计算和分析了外向流作用下缓坡上规则波浪和不规则波浪的变形及破碎过程，取得了以下两方面的成果：１）正向流作用下波浪的破碎指标及研究方法可以应用于斜向流情况；２）波浪的折射在一般情况下使波高降低，从而使破碎点向浅水方向推移。     

波浪辐射应力张量的垂向变化

将垂向考察区域分为波谷以下部分，波谷至平均水面部分以及平均水面以上部分，应用线性波理论，分段推求波浪辐射应力张量沿水深分布函数，通过欧拉坐标变换，建立了任意波向角时波浪辐射应力张量的计算表达式，给出深水及浅水条件下的渐近表达式，讨论了波浪辐射应力张量的垂向变化情况。     

不规则波作用下海床面上的波浪压力计算

指出并分析了线性叠加法计算不规则波作用下海床面上的波浪压力的不合理性，进而提出了一种改进的线性叠加法.理论计算与实验数据的比较表明这种改进的线性叠加法是有效的，并且简单、实用。     

波浪对圆柱外接圆弧型防波堤绕射的解析计算

在微幅波绕射理论的基础上,使用特征函数展开法,推导了圆柱外接圆弧型防波堤复合结构的水波绕射的解析解,并据此计算了该结构所受到的波浪载荷以及绕射波面分布。计算结果表明:与单一圆柱相比,外接圆弧型防波堤的存在可明显降低作用于圆柱的波浪载荷和圆柱表面的波浪爬高;采用外接堤表面密实或透空而内圆柱表面透空的结构形式可以取得圆柱防浪的较佳效果;结构透空系数、波浪入射角度、外接堤张角、外堤半径与水深比、水深与波长比等因素的变化对绕射波浪作用均存在一定影响。     

有限深两层流体中水波与水平圆柱潜体的相互作用

研究了有限深两层流体中表面波模态和内波模态的水波与水平圆柱潜体的相互作用问题。在线性势流理论框架内,建立了两种模态入射波作用下,水平圆柱体绕射势的多极展开求解理论。基于所建立的求解模型,对作用在圆柱体上的波浪力进行了数值计算分析,并且与均匀流中情况进行了比较。结果表明了,在入射波的某个频率范围内,流体的分层效应对圆柱体波浪力的影响是不可忽略的。同时,对流域内的绕射速度矢量场进行了数值分析。     

大型海洋结构物的非线性绕射效应

本文在空间上应用面源法,在时间域上应用步进法,数值处理了三维物体与非线性波浪的相互干扰,研究了结构物的非线性绕射效应。首先,作为比较,求解了正弦波列和孤立波绕射垂直桩柱的情形。接着,进一步求解了大振幅波浪绕射固定在自由面上的大型浮动码头的工程实例。结果表明,非线性波浪绕射力与线性结果,有一定的差别。有时,尽管从总体效应来看,这种差别不十分明显,但从上浪、出水和波的爬高以及局部应力等局部效应来看,这种差别可能很明显。     

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。     

RADIATION AND DIFFRACTION OF WATER WAVES BY A SUBMERGED CIRCULAR CYLINDER AT FORWARD SPEED

The wave radiation and diffraction by a submerged circular cylinder in deepwater is analysed by the multipole expansion method.The theory is based on the inviscid andlinearized potential flow.     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE SECOND-ORDER DIFFRACTION WAVE PRESSURE AND FORCE ON A CIRCULAR CYLINDER UNDER STOKES WAVE ACTION

This paper presents the model test to measure the second-order wave pressureand forces on a circular cylinder fixed in Stokes wave with a given draught.The distributions ofsecond-order oscillating and steady wave pressure on the wet surface of the cylinder and secondorder oscillating wave forces were obtained in this test,but the second-order steady wave forcewas not able to be measured due to its very small magnitude.The test results also show thatthird-order wave force may be greater than the second-order force when wave frequencies arehigh.The experimental results were compared with the corresponding calculation results of Ref-erence[3].     

非线性波浪绕射问题的数值计算

本文给出非线性波浪绕射问题的计算模型,并用时间步进和边界元法求解。该模型能适用于严重非线性情形,且能满足初始条件和辐射条件。作为对该模型的检验,我们对孤立波绕过穿刺水面的直立圆柱的算例进行了计算,并同Isaacson的解析解、李宝元的差分解进行了比较,结果吻合很好。此外我们还用数值方法同时模拟造波机造波和求该波与直立圆柱的相互作用。结果表明,数值波浪水池能够以尽可能短的暂态过程,模拟波浪与物体的相互作用,提供良好的初始条件。数值波浪水池还能用于任意水深、任意水底形状下的相互作用问题。本文的计算模型和算法具有机时省,计算稳定的优点。     

用格子Boltzmann方法模拟涌波的反射与绕射

本文应用格子Boltzmann模型建立离散动力学模型,并利用Chapman Enskog对模型的方程组进行展开,建立了模拟二维浅水动力学的方程组。在从理论上证明了它严格地满足质量和动量的基本守恒定律的基础上,应用所建立的模型进行数值试验,模拟了溃坝涌波现象及其与固壁和建筑物的相互作用。利用这一模型计算了溃坝波与水中方柱和圆柱的相互作用,以及明渠内的涌波的反射和绕射复杂流场。该模型具有显式的表达形式,易于编程应用;粒子运动是彼此独立的,适合于并行数值计算;边界条件易于处理;易于处理多相流动微观机制等优点。     

LOCAL SCOUR AROUND A LARGE-SCALE VERTICAL CIRCULAR CYLINDER DUE TO COMBINED WAVE-CURRENT ACTION

The local scour around a large scale vertical circular cylinder due to combined wave-current action was experimentally and numerically studied in the present paper. Experiments were carried out to research the affect of the wave height, current velocity and the diameter of the cylinder on the scour process. The topography near the cylinder in various cases during scour was measured. The cylinder diameter affects the distribution of scour and deposition area. The maximum scour depth increases evidently when the current velocity increases, The maximum scour depth does not increase after the wave height retains a certain value. A numerical model using a finite element method for simulating the scour process was established. And the numerical results agree well with the measured data. The numerical model is more applicable in the case of large-scale cylinders.     

波流作用的近岸圆柱局部床面侵蚀

波浪流对近岸浅水带床面作用强烈,该区域结构物局部床面侵蚀显著,潜存致灾威胁。用三维数值方法研究了瞬态孤立波作用下非黏性沙海床上的近岸圆柱体局部冲刷规律,分析了波浪流冲刷的3类主要影响要素,讨论了近岸地形条件影响下的波流冲刷深度。研究认为,表征浅水波流特征和柱体尺度的无量纲数Urp与KC数存在非独立关系,二者均能分别反映波流冲刷的主要规律;表示泥沙运动的力学参数Shields数在波流动床条件下仍对柱体局部冲刷有贡献;近岸地形通过床面坡度对波破碎的增强及堤岸挡墙对波浪的反射,都会影响到局部冲刷。