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...     

波浪形态及方向分布对港域波浪传播的影响

航道开挖会对波浪的传播产生显著影响,使港内波浪及泊稳条件发生变化。依托物理模型试验结果,验证了MIKE21中BW数值模型的合理性,证实二者结果吻合良好,随后利用该模型对比分析了在规则波、单向不规则波以及多向不规则波作用下,港域波浪扰动系数的分布规律及区别。结果表明：小角度入射波浪下,单向不规则波与规则波在航道迎浪面边坡发生的波能聚集现象明显强于多向不规则波;多向不规则波的方向分布对波浪在航道中的传播产生影响,波浪方向分布范围越窄,航道的折射效应及能量汇聚过程也越明显,航道边坡上的扰动系数也越大。因此在实际工程的航道设计中,应该考虑到不同形态波浪及多向波方向分布在航道传播过程中的差异,尤其在某些涌浪作用较强、波浪能量分布较为集中的港域,以单向不规则波甚至是规则波作为入射波浪将更加合理安全。     

多向聚焦破碎波的实验研究

该文采用两种不同频谱形式(等波陡和等波幅)、不同水深,通过波浪聚焦的方法在水池中产生多向聚焦波和破碎波,实验研究了破碎波的波面特性、破碎波的破碎指标及传播过程中的频谱变化,结果表明频谱形式、水深及方向分布对破碎波浪特性有明显的影响;波浪传播过程中频谱高频部分有明显的变化;波浪破碎过程中的能量损失主要来自波浪频谱高频部分。     

规则波作用下植物概化模型消波实验研究

开展植物消波研究具有工程意义。分别对植物根、茎和叶模型与不同工况下的规则波进行实验,并对实验段的沿程波高、波形参数、波浪频谱以及波能耗散规律进行分析。结果表明:波浪周期较大时,植物带前端和内部会出现不同程度的水位雍高现象,其非线性先增强后减弱,植被区波浪出现斯托克斯漂移现象。植被区内会产生相对于主频的二倍频波浪,但随着波浪穿过植被区,以二倍频波浪为代表的谐波逐渐消失,能量向主频波浪转移。分别得到了根、茎和叶的波能耗散系数的计算公式,可为采用植物护岸工程提供一定的参考依据。     

规则波下半潜式平台波浪爬升数值模拟

在波浪与平台相互作用时,波浪会沿平台立柱爬升,甚至能爬升至平台下甲板的情况,严重影响平台安全.该文应用基于OpenFOAM开源平台的naoe-FOAM-SJTU求解器,对固定的半潜式平台在规则波下的波浪爬升现象进行了数值模拟,采用边界输入法进行造波,并且在数值水池末端设置松弛区进行消波.该文重点聚焦在由于入射波浪和平台...     

大型围垦工程海堤建设过程中围区内波浪传播研究

以浙江省温州市某大型围垦工程为例,采取波浪断面物理模型试验与数值模拟相结合的方法,运用MIKE21中SW模块,数值模拟了越堤次生波、龙口绕射波和小风区风成浪综合作用下的波浪传播变形现象,探讨了一期海堤平面位置、建设抬高过程以及龙口布置等因素对二期海堤堤前波浪要素的影响。     

极平缓岸坡上的底部波能损耗

本文分别分析与计算了波浪在粉沙质海床、沙纹海床和淤泥质海床上传播时波高的衰减。研究表明，波浪在粉沙质海床上传播的渗透损耗可以忽略不计；波浪在沙纹海床上传播的底摩阻损耗比平滑粉沙底床上传播的损耗大，前者的摩擦系数约比后者值大一个数量级。波浪在淤泥质海床上传播的能量损耗最大，其损耗机遇也很复杂。为了便于比较，将波浪在淤泥质海床上的衰减换算成等价摩擦系数。并运用宾汉模型和波浪作用通量守恒原理计算了波浪在极平缓淤泥质海滩上传播时的衰减及沿程等价摩阻系数。与连云港波浪观测资料对比，符合较好。此外。理论计算发现沿程等价摩阻系数与水深关系较大，由深水至浅水逐渐增大，且水深越浅，增速越快。     

台州湾近海海域波浪要素特征分析

波浪要素的观测及分析对港口码头设计、航道建设、围垦工程等都尤为重要。为研究台州东部新区临时航道疏浚工程对周边涉水工程的影响,采用SZF型波浪浮标,在工程海域进行为期一年的波浪观测,并对实测的波浪要素进行统计分析。结果表明:台州湾全年以东北向波浪居多,东向浪最大,可高达5 m。波高主要集中在0.5 m~1.0 m范围,波周期集中在3.0 s~4.0 s范围。春季浪向分散,夏季浪向集中在S向,秋冬季浪向相似,N为主波向。受台风影响,夏秋季有大浪出现。     

数值波浪水槽中的斜坡式孔隙结构规则波消波研究

基于Flow3D的有限差分求解程序、RNGκ-ε模型、VOF自由表面跟踪法建立了二维数值波浪水槽模型,模型开边界处采用斜坡式孔隙结构结合Sommerfeld辐射边界条件对波浪进行吸收处理。通过采用入反射波分离方法,得到水槽中的波浪反射系数,定量分析影响孔隙结构消波效果的参数,得到最优参数组合。经验证,数值波浪水槽中具备最优消波参数组合的斜坡孔隙结构结合Sommerfeld条件对于规则波具有较好的消波效果。     

基于Boussinesq方程的近岸波流统一模型

用统一的理论正确描述近岸海域内不同尺度的水动力学现象是海岸水动力学研究的一个难题.本文通过将一种简单的波浪破碎模型引入到Boussinesq方程,建立了能够统一描述近岸水波和波生流的数学模型.将数学模型应用于计算浅滩上的波浪变形以及均一斜坡上平行于海岸的沙坝缺口附近的波生流,得到了良好的结果.     

棘洪滩水库波浪观测与分析

国家海洋局第一海洋研究所和棘洪滩水库管理处联合实施了棘洪滩水库波浪观测,获取了该水库自建库以来最系统的波浪实测资料。因该波浪观测资料是在封闭小水域获取的,也基本代表了一般平原水库库区波浪特征。因此,本文提供的结果将有助于了解平原水库库区波浪特征,对提高平原水库的管理水平和为设计部门提供水库波浪设计标准,     

无反射不规则波造波机系统的研究

水槽不规则波的波浪试验中，造波机和建筑物之间波浪的多次反射是影响试验精度的重要方面，本文给出了水槽中不规则波造波机无反射造波的方法，提出了不规则波代表频率的确定方法，长时间造波试验研究结果表明，该文提出的方法是有效的。     

不规则波辐射应力的精确解与近似解

波浪辐射应力是波生沿岸流乃至近岸流的主要驱动力。波浪辐射应力的计算将直接关系到沿岸流的大小及其水动力特性。不规则波相对规则波更能反应实际海洋中的波浪运动,因此不规则波作用下辐射应力的计算将更能体现实际沿岸流中的波浪驱动力。通过推导给出不规则波辐射应力计算的精确解与近似解,并对两种计算方法进行了分析比较,在此基础上进一步用波生沿岸流试验结果对近似计算方法中的波能计算进行了验证。结果表明窄谱情况下,不规则波辐射应力的近似计算方法已有较好的精度,可节省大量的计算时间,从而提高计算效率,但精确计算方法更能准确反应各时刻各位置辐射应力的波动状况。     

莺歌咀附近岸段沿岸输沙率的计算与分析

作为评估海岸工程设计是否合理的理论依据之一,沿岸输沙率的计算与分析必不可少。在沿岸输沙波浪要素计算时,采用波向线法,并进一步考虑流和潮位对折射系数的影响,得到较为准确的波浪要素。根据得到的波浪要素,采用波能流法计算沿岸输沙率,用实测资料进行验证,并与已有结果进行比较,具有较好的一致性。将该数值计算方法应用于莺歌咀附近岸段沿岸输沙率的计算,对工程区域的泥沙运动规律进行预测和分析。     

数值波流水池构造方法研究

该文在FLUENT软件平台下构造了二维数值波流水池.基于不可压缩流体RANS方程建立数学模型,使用VOF方法追踪自由面位置;将水池入口取为波浪与水流相遇并产生相互作用的起始位置,给定入射静水波和水流叠加的边界条件;在水池下游设置消波区,采用动量源项消波方法对波浪进行衰减,消除波浪在水池出口边界处的反射,生成了波浪和水流共存的稳定流场.针对不同水流流速剖面和波浪条件进行了数值模拟,并通过实验数据考核数值水池模型的准确性.对Thomas的实验数据进行数值仿真,得到了不同流速的均匀逆流对波高和波长的影响;针对剪切流,模拟了Kemp等的实验数据,计算不同波幅的波浪在非均匀顺流和逆流中的变形.结果显示,数值结果与实验数据吻合良好,表明了该数值波流水池模型能够较为准确地模拟波浪和定常水流的相互作用.     

波浪的基本特性与安全超高

阐述了波浪的要素与类型,给出了3种类型的计算公式,同时附录了某些水工建筑物的安全超高。     

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。     

某跨海大桥桥头刚架桥段波浪浮托力作用的试验研究

对波浪浮托力的研究,目前已有一些理论经验公式,也采用规则波和不规则波做过一些波浪断面模型试验,但是波浪浮托力影响因素非常复杂.该文针对具体的跨海大桥桥头刚架桥段,进行了波浪断面模型试验,以此来研究波浪浮托力对该跨海大桥桥头刚架桥段的作用.由于原方案桥段二底板的波浪浮托力不满足工程设计要求,因此对原方案进行了修改,试验结...     

波浪作用下沙纹上含沙量的时变特征

对规则波、不规则波和波群作用下沙纹峰上悬移质含沙量与波浪形态的关系进行了实验研究.结果表明:在规则波情况下的波峰和波谷时刻,含沙量都出现了相应的峰值,但波谷时刻对应的峰值要大于波峰时刻的峰值;在波群情况下,含沙量对于波浪的响应主要集中在波群周期上,在短波频率上所占分量很小.含沙量的时间平均值随着调制系数的增大而减小,但其波动部分的幅值是随着调制系数的增大而增大;不规则波情况下只在大波经过沙纹峰上的时刻,才有明显的泥沙悬移现象,含沙量主要是响应于波列中波群出现的频率,这表现在含沙量能量谱的峰值对应于波浪包络能量谱的峰值.实验结果也显示了波群和不规则波波高变化导致的泥沙悬移运动的滞后现象.     

破碎波作用下粉沙悬移质浓度垂向分布的实验研究

通过水槽实验对破碎波作用下驴驹河粉沙和黄骅粉沙悬沙浓度的沿程分布和垂向分布进行了研究,并对实验现象进行了初步分析。实验中发现:在波浪破碎前近底有高浓度含沙水体层,而在波浪破碎后高浓度含沙水体层消失;断面平均悬沙浓度在破碎点附近达到最大,在破碎点前,断面平均悬沙浓度沿程增大,而在破碎点后,断面平均悬沙浓度沿程减小;在波浪破碎前附近,上层水体紊动较强,从而悬起比平坡情况下更多的泥沙,使悬沙浓度不但在下层水体高,而且在上层水体也较高,因此在计算泥沙输移时,应对此更加注重。