随机波在珊瑚礁地形上传播的SPH模拟

该文通过在SPH水动力学模型中引入动量源造波函数和人工速度衰减函数,来实现规则波和随机波在数值波浪水槽中稳定生成和有效吸收,并通过合理设置造波区的相关参数使该造波系统适合于任意水深条件。最终,应用该数学模型研究波浪在珊瑚礁上的传播演变问题。数模预测结果与物模实验数据对比显示,该文所建立的SPH数学模型能够准确描述诸如波浪在深海陡峭礁面上的翻卷破碎、礁坪上的波浪增水及波能频谱由峰频向低频转换等一系列颇具挑战性的水动力过程。说明该文结合无反射动量源造波系统发展的SPH水动力学模型可以作为一个非常实用的数值模拟工具,用于研究波浪与各式水工建筑物间的相互作用问题。     

孤立波作用下珊瑚礁海岸附近流动特性研究

该文通过基于大涡模拟的三维数值模型研究了孤立波作用下珊瑚礁海岸附近的流动特性,考虑了两种礁坪水深的情况,通过物理模型实验对比验证了礁面上自由液面的空间与时间变化以及流速的时间变化,并运用数值结果进一步分析了流场和涡量场的沿礁变化规律。结果表明:该数值模型能合理地模拟不同礁坪水深下孤立波的浅水变形、破碎和滚波的运动以及波生流的变化。波浪破碎时礁坪上水流由亚临界流向超临界流转变,随后流速沿礁衰减。泻湖内的流速变化不再显著,波浪破碎伴随着强烈的水体涡动,涡动随着滚波的沿礁衰减而逐渐耗散,泻湖中的涡动几乎可以忽略不计。礁坪水深的增大显著降低了礁坪上的涡动强度。     

三孤立波的斜坡爬高特征

该文采用推板式造波机和改进的Goring造波方法在波浪水槽中生成了由三个等波高孤立波组成的波列,首先在坡度为1/10的斜坡上进行了多个孤立波连续爬高的实验研究。实验测量了等波高双孤立波和三孤立波在等水深波浪水槽中传播和在斜坡上的爬高过程,给出了沿程多点浪高仪测量的波面时间序列和高速摄像记录的水线在斜坡上爬高与回落过程影像。分析了来波相对波高和无量纲波峰间距对每个孤立波爬高放大系数的影响。在基于RANS方程和VOF方法的数值波浪水槽中,模拟了三孤立波爬高过程,给出了最大爬高与破碎特征。实验和数值模拟结果表明,孤立波在斜坡上回落时会产生强劲的回流水流,该反向流动导致后随孤立波破碎,消耗波动能量,使得后随孤立波的爬高放大系数明显小于没有回落水流影响的首个孤立波的爬高放大系数。当孤立的波峰间较大时,若来波相对波高较小,后两个的孤立波爬高基本相同;若来波相对波高较大时,第三个孤立波的爬高大于第二个孤立波的爬高。     

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。     

斜坡非淹没刚性植被影响下孤立波爬高的研究

该文通过物理模型实验和数值模拟研究了孤立波与斜坡上非淹没刚性植被的相互作用。物理模型实验在波浪水槽中进行,运用CCD高速相机测量了斜坡上波浪的爬高,分析了入射波波高和植被密度对爬高的影响,结果表明爬高与入射波高的比值近似为常数,其值取决于植被的密度。采用Boussinesq方程成功地模拟了波浪在斜坡上的传播变形及爬高过程:植被的阻水作用通过添加拖曳力项来实现,底床摩擦阻力系数通过模拟孤立波在无植被影响斜坡上的爬高确定,根据实验数据校核数值模型得到不同入射波高下植被的拖曳力系数。研究发现孤立波作用下斜坡上植被的平均拖曳力系数与平底床恒定流的情况并无明显差异。     

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。     

基于Boussinesq方程的陡峭礁坪上波浪传播变形数值模拟

为了探究应用基于二阶完全非线性Boussinesq方程开发的Funwave-TVD波浪模型模拟波浪在陡峭礁坪上传播变形的可行性,在采用试验及已有文献成果进行可行性验证的基础上,利用该模型模拟了波浪在陡峭礁坪上的传播变形过程,分析了不同波浪要素及不同水深情况下波浪在陡峭礁坪上的传播规律。结果表明:当波高与水深的比值超过一定值时,波浪发生破碎,波高迅速减小;对于深水情况下的陡峭礁坪地形,当波浪离开礁坪坡脚的水平距离为4倍入射波长及更远时,礁坪上的平均波高可降低为稳定值。     

数字波浪槽在防波堤预设计中的应用

传统的以物理模型进行的防波堤断面实验被以计算机进行的数字波浪槽代替,边界造波为Bretschneider/Mit-suyasu波浪谱,防波堤断面根据海港水文规范(简称“规范”)设计。以改进的Boussinesq波浪方程,通过引入波浪反射项以数值模拟实现了波浪在水槽中传播的全过程。通过数值水槽获得了波浪在本文防波堤断面前0.45的反射系数,将数值模拟的结果和规范中的反射系数进行了对比得出,数字波浪水槽有满意的精度以及在规范中使用了一定的安全系数,表明数字波浪槽在防波堤的预设计中有重要作用。     

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。     

内河航道中船行波在岸坡爬高的数值模拟

该文基于RANS方程、RNG k-ε湍流模型建立数值波浪水池,用VOF法追踪自由面的位置,并模拟了内河航道中船行波的生成、传播、爬高和岸壁反射过程,且与典型断面航道中船行波在岸坡最大爬高和回落的现场测量值进行了比较,验证了数值模型的有效性。通过对航道中船行波进行数值模拟,获得了船行波的波形及其在岸坡上爬高与回落的最大值。分析了船舶吃水、航速和航道岸坡倾角对特征波高以及最大爬高与回落的影响。最后建立了计算船行波特征波高、爬高和回落的经验公式。     

土石坝工程台阶式消浪护坡技术研究

采用数值模拟方法计算土石坝工程台阶式护坡的波浪爬高,分析了台阶式护坡的结构参数、大坝上游坝坡坡度系数、波浪特性参数对台阶式护坡波浪爬高的影响。得出结论:台阶式护坡相比于光面混凝土护坡,平均波浪爬高可减少40%～50%;同一入射波下,坡度系数m相同时,平均波浪爬高及糙率及渗透性系数K△随相对台阶高度h/H的增加先减小后增加再减小;同一入射波下,相对台阶高度h/H相同时,平均波浪爬高随坡度系数m的增加总体呈减小趋势;糙率及渗透性系数K△随坡度系数m的增加呈波动状态。根据计算结果,总结土石坝工程常用坡度系数选用的台阶式护坡结构参数及计算参数。     

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。     

台阶式消浪护坡在土石坝加固工程中的应用研究

结合湖北漳河水库除险加固工程,采用数值模拟方法计算台阶式护坡的消浪效果,研究台阶式护坡的结构参数及大坝上游不同坝坡坡比对台阶式护坡消浪效果的影响。研究结果表明:同一入射波下,坡比相同时,平均波浪爬高随台阶相对高度的增加呈先减小后上升趋势;同一入射波下、相对台阶高度相同时,平均波浪爬高随上游坝坡坡比的增加呈先减小、后增加、再减小的趋势,总体呈减小趋势。计算分析结果表明,漳河水库鸡公尖大坝采用台阶式护坡可有效降低波浪爬高。     

三维溃坝波绕方柱剧烈流动的数值模拟

该文采用自主开发的非定常黏性流动问题求解器naoe-FOAM-SJTU,对三维溃坝波和直立方柱相互作用问题进行数值模拟.求解器naoe-FOAM-SJTU是基于开源代码OpenFOAM的数据结构、工具箱和基本流场求解器,专门面向研究船舶与海洋工程水动力学问题而开发的数值计算程序,它可以模拟三维波与物体相互作用等复杂问题,能够较精确的模拟波浪破碎、翻卷等复杂自由面演化过程.计算结果给出了三维溃坝波的演化过程,包括溃坝波和直立方柱相互作用过程中的波面爬高、破碎及翻卷现象,给出了方柱附近的涡流场;并分析了流体黏性效应的影响,得到了直立方柱受溃坝波拍击作用的水动力时间演化过程图,计算结果与实验数据吻合较好.计算结果表明,采用naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效地模拟有复杂波面演化的剧烈流动问题,较准确地预报波浪在结构物上的爬高和拍击力.     

基于抛物型缓坡方程模拟近岸波流场

波浪向近岸传播的过程中由波浪破碎等效应所形成的近岸波流场是近岸缓坡区域重要的环境动力因素之一。本文基于近岸波浪传播的缓坡模型对近岸波浪场及近岸波浪斜向入射破碎后所产生的沿岸波流场进行了数值模拟。考虑到波浪向近岸传播中局部复杂区域波向不易确定，计算时直接从波浪辐射应力定义出发，采用抛物型缓坡方程所给出的辐射应力公式来计算波浪产生的辐射应力，在此基础上耦合近岸波流场数学模型对近岸波浪破碎形成的波流场进行了数值模拟研究，结果表明本文的数值模型是有效的。     

珊瑚岛礁护岸对礁坪上极端波浪传播特性的影响

极端波浪要素是珊瑚岛礁护岸工程设计的重要参数。利用大比尺波浪水槽,采用1: 15的模型比尺开展试验,从波浪形态、增水、波速、波谱等方面研究了珊瑚岛礁护岸对礁坪上极端波浪传播特性的影响规律。护岸工程产生了明显的阻水效应:对于波浪形态,反射波的影响使得波浪在礁缘破碎更为剧烈; 显著增加了礁坪增水,最大增水值是自然地形下的4倍,影响在波周期较短时更为显著; 减小了波速约20%~35%,其影响随波周期的减小而增强; 对于波谱,护岸的存在使得波浪的非线性相互作用更加复杂,降低了波浪在礁缘处的主频能量,但同时增大了礁坪上的主频及高频能量; 护岸距礁缘距离对堤前水位具有重要影响,随该距离的增加,堤前时均水位先增加后降低。     

直立岛式结构物周围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,基于时间关联型缓坡方程和相应的边界条件,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.该模型不仅适用于变水深问题,而且适用于模拟线性波浪的时间和空间演化过程.对直立岛式防波堤及直立方柱周围波浪传播变形的数值模拟表明,所建立的模型能够有效地模拟计算域内存在直立岛式结构物的波浪绕射和反射问题.     

近岛礁波浪传播变形模型试验研究

该文以某典型岛礁地形为研究对象,通过水池模型试验方法对岛礁附近波浪沿程变化、横剖面波高变化和礁坪上波浪变化等近岛礁波浪传播变形特征进行了分析。研究结果表明,波浪从远海传播至岛礁附近,经过礁坪前地形剧烈变化地带时波高增大后迅速减小,并在礁坪边缘与浅水礁坪的衔接段形成破碎带,最后进入浅水礁坪后波高基本由水深控制。     

基于高阶谱方法求解波浪在不规则地形上传播的完全非线性数值模型

该文基于高阶谱方法,通过引入造波边界和水底边界条件,建立了能够模拟波浪在不规则地形上传播的完全非线性数值计算模型。对典型的二维波浪bragg反射和波浪在潜堤上传播进行了数值模拟,数值计算结果表明该模型能够很好地模拟波浪的产生、传播及与不规则地形的作用,验证了所建立的数值计算模型模拟波浪在不规则地形上传播的有效性。     

破碎波作用下床面形态研究及泥沙受力分析

破碎带水体强烈紊动对床面形态影响甚大,基于波浪水槽试验对沙质斜坡上破碎带床面形态以及泥沙受力进行研究。分析床面形态发现,同一断面处沙纹沙坝的形态与波浪形态基本一致,波高和周期决定沙纹沙坝的尺寸,波高越大,沙纹沙坝越高;周期越长,沙纹沙坝越长。通过对波浪破碎区的近底流速及砂床内孔隙水压力进行测量,将计算得到的表层上举力与超静孔隙水压力进行对比分析,发现其上举力与床面超静孔隙水压力大小相同。同时观察波浪破碎带床面高程,进一步研究上举力与超静孔隙水压力与床面高程的关系,发现表层上举力随着床面高程增加而变大,随着床面高程的降低而减小,而超静孔隙水压力与床面高程之间的关系则相反。