VOF方法模拟波浪槽中二维非线性波

造波板运动生成非线性波问题是研究物体与波浪非线性相互作用的典型例子。本文研究了用ＶＯＦ方法模拟波浪水槽生成非线性波（孤立波和椭圆余弦波）的问题，为实现造波板在计算中可以做穿越网格的大幅值运动，本文采用在压力迭代中调整造波板邻近单元中压力来满足造波板上流体运动条件。对开路边界条件和自由表面与物面交点处边界条件也提出了处理方法，计算结果与实验结果和解析结果进行了对比。     

造波板运动造波的实时模拟

基于势流理论和时域高阶边界元方法,建立了完全非线性数值波浪水槽模型,通过实时模拟造波板运动来产生波浪.采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶Runga-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,同时应用镜像格林函数消除了水槽两个侧面和底面上的积分,在水槽末端布置人工阻尼层消除反射波浪,通过加速势的方法准确计算速度势的时间导数.利用所建模型分别对规则波和不规则波进行了模拟研究,得到了稳定的波形,与试验结果、理论结果和已发表结果均吻合良好,同时计算了造波板做单一频率运动产生的非线性波浪力.     

基于VOF法的波浪数值模拟水槽(池)建立探索

基于CFD技术建立的数值波浪水槽试验,使用了波浪理论构建的数值水槽模型,在一定程度上能够代替物理实验的波浪水槽.数值波浪水槽构建难点在于实际波浪由于受到建筑物、地形等影响,往往会发生破碎、涡旋等现象,造波消波方法的选择也会对数值水槽建立和计算的准确性产生不同程度的影响.本文采用FLOW-3D软件,利用VOF方法,建立波...     

基于VOF方法的数值波浪水槽以及造波、消波方法研究

该文基于不可压缩黏性流体的N-S方程和VOF方法,利用CFD商业软件FLUENT及其二次开发功能,发展和提出了动边界造波、多孔介质消波等多种数值方法,建立了可有效模拟弱非线性波的数值波浪水槽.同时对现有的几种造波-消波方法进行了详细的分析,综合比较了不同方法的优劣性,指出了本文提出的多孔介质消波法可更有效的吸收波能,给出了造波-消波的最优配置.     

改进的非线性波传播数值模型的验证和应用

基于吸收入射边界上反射波的方法,并通过将统一边界条件表达式推广到适应不规则波的情况,改进了非线性波传播的数值模型.将利用模型的线性版本(略去非线性项)所计算得到的台阶地形上波浪的反射和透射系数与相应的解析解进行了定量比较.在斜坡地形上数值模拟了不规则波的传播,并将数值结果和物理模型实验值进行了比较.在下游边界分别为开边界和全反射边界的等水深的水槽内数值模拟了不规则波的传播变形,讨论了非线性作用的影响.在侧边界和下游边界均为全反射的固壁边界、二维的等水深水域内,数值模拟了波浪斜向入射时所产生的波浪变形.计算结果表明,对上述各种算例,改进后的非线性波传播数值模型均能进行有效地数值模拟.     

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。     

黏性波浪场与半潜平台相互作用的数值模拟

以N-S方程为控制方程,采用动量源方法,结合追踪自由面的VOF方法,基于FLUENT求解器,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽.利用该数值水槽对黏性波浪场与半潜平台的相互作用问题进行了数值模拟,获得了黏性波浪场作用下半潜平台水动力载荷及其立柱表面波浪爬高的时历特性.研究表明,利用所建立的数值波浪水槽来研究黏性波浪场与深海平台非线性相互作用是一条有效的途径.     

规则波中弧形返浪墙的非线性水动力载荷数值模拟

运用基于FLUENT软件平台的二维数值波浪水槽,采用流体体积(VOF)方法处理波浪自由面,应用"解析松弛"方法实现了数值造波-消波。模拟规则波下不同返浪墙断面形式情况下的流场和水动力。应用直墙驻波理论解和物理模型试验结果验证了数值波浪水槽的可行性。比较波浪力的数值模拟与物理模型试验结果可以发现,水动力冲量的均方差小于水动力最大值的均方差,且水动力冲量的误差也小于水动力最大值,说明以冲量作为特征量能更好地描述水动力载荷的变化。在给定堤顶超高的条件下,不同堤脚超高和弧形返浪墙高度的组合对越浪量有明显影响:低弧趾超高和大半径弧面组合有利于降低越浪量,但水动力载荷也较大;高弧趾超高和小半径弧面组合越浪量较大。     

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RANS方程的海堤越浪数值模拟

基于FLUENT商业化软件,以RANS方程为控制方程,基于有限体积法,采用k-epsilon湍流模型,运用一种“解析松弛”方法实现了适用于VOF方法的数值源造波技术。在该数值波浪水槽中对规则波在不可渗透简单斜坡堤上越浪过程进行了数值模拟,将越浪量计算值同物理实验结果及基于非线性浅水方程的数值结果进行了比对。结果表明：该数值模型能够较好地复演海堤越浪过程,同基于非线性浅水方程的数值结果相比,能更有效地模拟含有强烈卷吸、射流和破碎的海堤越浪问题。     

贮灰场排洪竖井排洪能力及流态 数值模拟计算

本文采用VOF方法来跟踪自由水面对大型贮灰场排洪竖井进行了数值模拟计算,利用物理模型试验数据验证了计算成果。计算研究了排洪竖井的排洪能力及主要工况流态。研究成果表明排洪能力数值模拟值和试验实测值十分吻合,数值模拟流态逼真。由此证明：数值模拟计算可以取代物理模型试验。     

基于OpenFOAM的挡板透空式防波堤水动力特性数值分析

基于有限体积法理论,应用开源计算流体力学软件OpenFOAM求解黏性不可压缩流体的连续性方程和动量方程,建立了二维数值波浪水槽,并通过规则波作用下挡板式透空结构的物理模型试验数据(波面、压力和流速)对数值波浪水槽进行了验证;计算并比较分析了不同入射波浪条件下挡板相对入水深度对透射系数和挡板底部流速的影响.结果表明,当挡...     

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。     

规则波作用下潜堤透浪系数数值模拟

潜堤透浪系数是衡量潜堤削弱波浪能力的主要指标。基于Boussinesq型方程的MIKE21-BW模型建立波浪数值水槽,进行规则波作用下潜堤透浪系数的数值模拟。根据Dingemans物理模型试验结果对BW模型进行参数率定和验证,验证结果良好。在此基础上,进一步分析了影响潜堤透浪系数的无因次影响参数,包含相对淹没深度、波陡、相对堤顶宽度、斜坡堤坡度等,研究不同因素组合情况下潜堤透浪系数的变化规律。建立了规则波作用下潜堤透浪系数的计算式,应用MATLAB数学软件对式中的系数进行拟合,拟合式计算值与BW模型计算值相关系数为0.858,相关性较好。另外,将拟合式与杨正己公式进行比较,并分析数据的差异与原因。研究表明:MIKE21-BW模型可以进行规则波作用下潜堤透浪系数的数值模拟。     

大尺度柱状结构物波流荷载研究

大型深水工程往往面临水深、浪大以及流急等复杂自然条件,将受到巨大的水平波流力,在工程设计中需准确考虑波流力的大小.通过在波流水槽进行圆柱、方柱和矩形柱波流力系列试验,进行大尺度柱状结构物波流荷载研究,同时建立数学模型,应用边界元法求解大尺度柱体上的波浪荷载,编写了Fortran程序计算波浪力,运用柱体绕流理论计算水流力.对比分析试验结果和数值计算结果提出了波流力工程计算方法:对于深水大尺度柱状结构物波流力可由波浪力线性迭加水流力再乘以1.04得到,计算中波浪要素采用水流影响下的要素,水流力采用柱体绕流求得.按此方法计算波流力,并与物理模型试验结果进行对比,两者误差较小,满足工程设计的精度要求.     

NUMERICAL SIMULATION OF TWO-DIMENSIONAL OVERTOPPING AGAINST SEAWALLS ARMORED WITH ARTIFICIAL UNITS IN REGULAR WAVES

A new mathematical model for the overtopping against seawalls armored with artificial units in regular waves was established. The 2-D numerical wave flume, based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the standard k-ε turbulence model, was developed to simulate the turbulent flows with the free surface, in which the Volume Of Fluid (VOF) method was used to handle the large deformation of the free surface and the relaxation approach of combined wave generation and absorbing was implemented. In order to consider the effects of energy dissipation due to the armors on a slope seawall, a porous media model was proposed and implemented in the numerical wave flume. A series of physical model experiments were carried out in the same condition of the numerical simulation to determine the drag coefficient in the porous media model in terms of the overtopping discharge. Compared the computational value of overtopping over the seawall with the experimental data, the values of the effective drag coefficient was calibrated for the layers of blocks at different locations along the seawalls.     

波浪作用下砂质海床瞬时孔压特性的FLAC模拟

针对波浪荷载作用下砂质海床瞬时孔压响应问题,结合波流水槽模型试验实测结果,运用FLAC程序建立相应的流-固耦合本构模型,通过FISH函数使数值模型中的波浪加载与线性波理论相一致.并将数值模拟结果绘制成图和实测值进行比较分析,这是对FLAC渗流模块运用的拓展,以此进一步说明 FLAC有较好的模拟波浪加载下海床孔压特性的能力.     

NUMERICAL SIMULATION OF PROPAGATION AND BREAKING PROCESSES OF A FOCUSED WAVES GROUP

A two-dimensional numerical wave flume is developed to study the focused waves group propagation and the consequent breaking processes. The numerical model is based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, with the standard k-ε turbulence model to simulate the turbulence effects. To track the complicated and broken free-surface, the Volume Of Fluid (VOF) method is employed. The numerical model combines the "Partial Cell Treatment (PCT)" method with the "Locally Relative Stationary (LRS)" concept to treat the moving wave paddle so that various waves can be generated directly in a fixed Cartesian grid system. The theoretical results of the linear and nonlinear waves are used to validate the numerical wave flume firstly, and then a plunging breaking wave created by a focused waves group is simulated. The numerical results are compared to the experimental data and other simulation results, with very good agreements. The turbulence intensity, the flow field and the energy dissipation in the breaking processes are analyzed based on the numerical results. It is shown that the present numerical model is efficient and accurate for studying the waves group generation, the waves packet propagation, and the wave breaking processes.     

A NEW NUMERICAL WAVE FLUME COMBINING THE 0-1 TYPE BEM AND THE VOF METHOD

A new coupling numerical wave model, based on both the Boundary Element Method (BEM) and the Volume Of Fluid (VOF) method, is established by taking advantages of the both methods to solve the wave-structure interaction problems. In this model, the wave transformation in front of structures is calculated by the 0-1 type BEM, and the intense wave motions near the structures are calculated by the VOF method. In this paper, the characteristics of the BEM and the VOF method are discussed first, and then the coupling treatments are described in detail. In the end, the accuracy and the validity of the coupling model are examined by comparing the numerical results with experiment results and other numerical results available for the interactions between regular waves with a monolayer horizontal plate.