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。     

船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟

为了可靠地模拟高速及大外飘船型在恶劣海况中的运动响应,该文在基于Rankine源的线性时域数值预报方法的基础上,通过在运动方程中添加考虑瞬时湿表面影响的非线性恢复力和入射波力,建立了船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟方法。该方法在数值计算中仍采用线性自由面条件、平均湿表面面元,采用数值海岸技术来满足自由面上的辐射条件。应用本文建立的非线性时域数值模拟方法对高速水面船DTMB5512和大外飘集装箱船Flokstra进行了顶浪状态下的数值模拟研究,数值计算结果表明非线性时域预报方法计算结果较线性方法更接近于试验结果,说明该文方法的有效性。     

温度分层海洋表面的波动特性

海洋中的温度/密度分层是一种普遍现象。该文基于N-S方程,结合Airy波浪理论和VOF两相流模型,数值模拟了分层海洋中的波动特性。通过与理论解的对比验证了数值模型的有效性。研究了波浪作用下的海面波动特征、温度/密度分层情况下波动的传播过程以及密度分层对波动抑制的影响。研究发现,在海面处、下层海水处,温度波动并不符合明显的正弦特性,存在着"削峰"现象,更接近于"方波"的特性,体现了由温度分层导致密度变化所引起的抑制效应。该文的结论对研究海洋表面热量交换、营养物质的输运、船舶航行和波浪的传播等具有借鉴意义。     

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。     

流体黏性对迎浪航行船舶运动和波浪增阻的影响

对在规则波中迎浪航行的大型油轮KVLCC2船模,为了研究流体黏性对船舶运动和水动力的影响,分别采用求解RANS方程和求解欧拉方程的方法,应用CFD软件STAR-CCM+对黏性流场和无黏流场进行了数值模拟。采用GCI方法对数值不确定度进行了分析,验证了数值方法的有效性;采用湍流模型和无黏流模型对船舶在一系列波长的波浪中的运动和水动力进行了数值预报,并将数值结果与现有实验数据进行了比较。结果表明,流体黏性对船舶运动影响很小,对共振状态附近的波浪增阻有一定的影响。总体上,对船舶迎浪航行流场的数值模拟,忽略黏性能保证一定的计算精度而提高计算效率。     

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.     

波浪变态模型试验相似关系探讨

对于波浪折射、绕射和反射的影响都较显著的情形,考虑到按传统的波浪变态模型相似关系将模型中的试验数据换算到原型后的偏差较大,论文尝试采用将正态模型时间比尺应用到变态模型中并反推出变态模型波长比尺的方法提出了一种不同的波浪运动相似关系即λL=λl.λthkh。通过工程实例计算表明,该相似关系条件下的变态模型计算结果与原型数值计算结果的偏差要明显小于传统的波浪折射和绕射相似的情况。     

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。     

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。     

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。     

URANS simulations of ship motion responses in long-crest irregular waves

In this paper, numerical prediction of ship motion responses in long-crest irregular waves by the URANS-VOF method is presented. A white noise spectrum is applied to generate the incoming waves to evaluate the motion responses. The procedure can replace a decade of simulations in regular wave with one single run to obtain a complete curve of linear motion response, considerably reducing computation time. A correction procedure is employed to adjust the wave generation signal based on the wave spectrum and achieves fairly better results in the wave tank. Three ship models with five wave conditions are introduced to validate the method. The computations in this paper are completed by using the solver naoe-FOAM-SJTU, a solver developed for ship and ocean engineering based on the open source code OpenFOAM. The computational motion responses by the irregular wave procedure are compared with the results by regular wave, experiments and strip theory. Transfer functions by irregular wave closely agree with the data obtained in the regular waves, showing negligible difference. The comparison between computational results and experiments also show good agreements. The results better predicted by CFD method than strip theories indicate that this method can compensate for the inaccuracy of the strip theories. The results confirm that the irregular wave procedure is a promising method for the accurate prediction of motion responses with less accuracy loss and higher efficiency compared with the regular wave procedure.     

船舶在长峰和短峰不规则波中运动的三维时域数值模拟

船舶在真实海况中的航行性能越来越受到重视。此文在规则波中航行船舶运动的时域预报方法的基础上,发展了长峰和短峰不规则波的数值模拟技术,建立了航行船舶在长峰和短峰不规则波中运动的三维时域数值模拟方法,并应用该方法对一条10万吨油轮进行了数值模拟研究,计算了该油轮在长峰不规则波中的运动响应。试验和计算结果表明此文方法有一定的精度。最后还对该油轮进行了短峰不规则波中运动的数值模拟。长峰和短峰不规则波中的计算结果比较表明短峰不规则波对该油轮运动可产生较大影响。     

基于PEBI网格的离散裂缝油藏数值模拟研究

离散裂缝网络模型主要从裂缝的几何形状以及流动机理上对裂缝进行表征和描述,可以比较精确地描述裂缝特征及油藏的非均质性。该文结合油藏边界及裂缝的真实分布状态,将油藏划分为若干子区域,在每个子区域上布网格节点进行Delaunary三角剖分与Vornoni网格剖分,得到了PEBI网格。为了满足质量守恒,利用有限体积法进行了求解,对网格域和计算域之间的误差进行了修正。结合离散裂缝的数学模型及传导率计算法则,实现了高精度的离散裂缝油藏数值模拟,研究了大裂缝的分布、长短、与注采井的贯穿状况等因素对水驱油的推进方向、速度、见水时间、采出程度的影响规律。结果表明PEBI网格能准确地表征裂缝特征,再现裂缝的分布,正确地模拟裂缝影响下的水驱开发规律。     

基于量纲转换的SBFEM基础动刚度连分式求解改进

在求解无限域地基动刚度的比例边界有限元法中(SBFEM),以刚度矩阵与柔度矩阵构成的混合变量为基本模式的连分式方法,是近年来较为流行的方法。然而在真实场地参数条件下,连分式中的各阶刚度、柔度系数矩阵元素值间的数量级存在较大差别,使得无限域动刚度的计算结果存在数值不稳定等问题。针对以上问题,首先引入算例验证了采用改进连分式法计算结果的合理性;然后基于改进连分式法分析了参数无量纲程度对计算精度的影响,从而提出了基于量纲转换的SBFEM基础动刚度数值求解模型,即将场地真实参数转换为无量纲形式,基于转换后的参数计算动力刚度矩阵,随后将计算结果还原量纲。最后,通过参数敏感性分析以及对不同风化程度场地条件下无限域动刚度的比较,验证了采用上述方法计算结果的精度和工程适用性。     

不同条件下矩形沙坑影响的数值模拟对比研究

应用有限体积法建立了河道平面二维水流泥沙数学模型并将模型应用于典型河段的计算,验证了模型的计算精度.设置了不同来水来沙条件和沙坑几何边界条件,将本模型应用于几种工况的理想矩形河道中矩形沙坑影响模拟研究,计算表明采砂对河道的正常演变产生影响,影响结果与离沙坑的距离、沙坑的深度和面积大小以及来水来沙情况等因素有关.初步分析了在采沙规划中可控制采沙影响后果的措施.     

NUMERICAL SIMULATION OF 2-D TIDAL FLOW AND WATER QUALITY UNDER THE CURVILINEAR COORDINATES

This paper presents a numerical method to simulate the 2-D tidal flow and water quality under the curvilinear coordinates. In order to overcome the computational difficulties in natural rivers, such as the complicated boundary figures, the great disparity between length and width of computational domain, etc. , boundary-fitted grid is used, the irregular domain in physical plane is transformed into a rectangular domain in transformed plane, and the depth-averaged momentum equations and mass equation are rewritten and discretized based on the finite volume techniques in curvilinear coordinates. Practical application of the method is illustrated by an example for the Dachangzhen Section of the Yangtze River. A fair agreement between the values measured and computed demonstrates the validity of the method developed.     

浮体的非线性辐射效应

本文在空间上应用面源法，在时间域上应用步进法，研究了浮体的非线性辐射效应，本文探讨了：（1）不同形式的辐射条件对非线性辐射问题解的影响；（2）不同距离的辐射面对开边界条件的使用所产生的影响；（3）大振幅的浮体受近运动所产和的非线性效应。     

基于多重网格的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型研究

针对流域洪涝模拟模型的计算精度、格式稳定性及计算效率等问题,本文提出基于多重网格技术的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型(M-DBCM)。地表水文模型采用非线性水库法模拟降雨产流和径流;二维水动力模型采用浅水方程模拟洪水演进过程。采用不同分辨率的网格划分计算区域,在粗网格区域采用地表水文模型模拟降雨径流过程;在细网格区域采用二维水动力模型模拟洪涝积水区的水流运动。地表水文和二维水动力模型通过内部耦合移动界面(Coupling Moving Interface, CMI)实现无缝连接,保证通过CMI的水量和动量等通量守恒,提高模型的模拟精度。采用时间显式格式同时求解地表水文和水动力模型,在不同区域采用不同的计算时间步长,以提高模型的计算效率。通过典型案例验证本文构建的耦合模型的性能,结果表明本文提出的动态双向耦合模型能够在保证模拟精度的同时提高计算效率。     

数值计算域内产生波浪的方法

解决入射边界域内反射波浪吸收问题的方法之一是在域内产生所需的波浪，而在边界处采用其它方法来吸收域内反射波浪，本文采用源函数的方法。给出了Bossinesq方程计算域内产生波浪的方法，典型波浪的数值模拟计算结果表明，该方法可以在域内生产所期望的波浪。