防波堤帷幕尺度对波浪力和消浪性能的影响研究

帷幕式防波堤下部透水,利于港内外的海水交换,防止水质恶化,维持原始水域生态平衡,因此模拟波浪与防波堤的相互作用具有重要的现实意义。该文基于高阶紧致插值CIP(Constrained Interpolation Profile)方法的二维波浪数值模型水槽,通过与文献结果进行比较,结果表明：该文数值模型能够有效地模拟孤立波在冲击帷幕式防波堤过程中的波浪破碎等强非线性现象。通过数值模拟,描述了帷幕式防波堤在不同的宽度和浸没深度情况下与孤立波之间的相互作用中流速和涡度的演变过程,并讨论了孤立波波高和帷幕式防波堤结构尺寸对反射、透射、耗散系数以及在帷幕式防波堤上冲击力的影响。研究表明：帷幕式防波堤的相对浸没深度越大时,消浪效果良好,同时帷幕式防波堤的相对宽度对消浪效果的影响较大。     

复式防波堤断面尺度对波浪爬高的影响研究

数值模拟是求解防波堤爬高问题的重要方法。以Navier-Stokes方程为控制方程,该文建立了基于紧致插值曲线法(CIP法)的二维不可压缩流体的有限差分数值模型。通过分步算法对时间积分求解控制域,采用双曲正切函数自由面捕捉法(THINC法)对自由液面进行捕捉,采用浸入边界法IBM对固体边界进行处理,将波浪爬高问题视为固-液-气多相流问题。通过建立二维数值水槽,对波浪爬高越浪问题进行数值验证;进而在相同波浪条件下,对不同断面尺寸的复式防波堤进行波浪爬高的数值模拟。结果表明:该模型可以较好地模拟波浪过程中的变形、翻卷、破碎等强非线性现象,得出最大爬高与复式防波堤尺寸之间的关系,从而给出了最小爬高时对应的防波堤断面尺度。     

规则波作用下导桩锚泊的浮防波堤水动力特性的数值模拟

浮防波堤主要有锚链锚泊和导桩锚泊两种锚泊方式,两种锚泊方式的浮体的运动响应不同,消波效果和水动力特性也不同。该文基于Navier-Stokes方程,采用紧致差分格式CIP (constrained interpolation profile)离散控制方程的对流项,以多相流和浸没边界IB (immersed boundary)的方法处理流体间和固体间的相互作用,以此建立二维数值模型研究规则波作用下导桩锚泊的浮防波堤的水动力特性。运用建立的数值模型研究了导桩锚泊的浮防波堤的垂向运动响应、波浪力和波浪力矩随相对宽度的变化趋势,通过与现有的物理模型试验结果比较,表明所建立的数值模型能够模拟规则波作用下导桩锚泊的浮防波堤的运动响应和受力特性。     

半椭圆型防波堤水动力特性的数值模拟

该文提出了一种新型防波堤结构：半椭圆型防波堤。采用FLOW 3D建立数值波浪水槽，模拟了波浪与半椭圆型防波堤的相互作用，并通过物理模型试验验证了数值模型的合理性。结合数值模拟结果分析了波浪参数变化对半椭圆型防波堤水动力特性的影响，结果表明：反射系数随着堤顶高程和水位之差h_s与设计波高H的比值h_s/H增大而增大，透射系数随h_s/H增大而减小；在本研究波浪周期范围内，水深D不变时，半椭圆型防波堤对周期T较大的波浪的挡浪效果优于周期较小的工况。随着D与半椭圆型防波堤立轴b的比值D/b的增大，挡浪效果变差。波浪力随着h_s/H的减小而增大，随H与波长L的比值H/L的增大而减小。相同工况下，随着半椭圆型防波堤卧轴a与立轴b的比值增大，结构所受水平波浪力减小，竖直波浪力增大，防波堤自重增大，防波堤稳定性增强。半椭圆型防波堤的优势在于，其卧轴和立轴的大小关系可以根据不同的工程条件自行设计，若以椭圆长轴卧放，则比防范相同水深的半圆型防波堤更适用于软弱基床，从而更加安全可靠；若以短半轴立放，则在防范相同水深的前提下，比...     

波浪作用下抛石潜堤的动态稳定数值模拟

抛石潜堤在港口工程中得到广泛应用, 该文运用离散单元法中的二维颗粒流方法建立了抛石潜堤模型, 分析了刚度和摩擦系数两个细观参数对模型分析的影响。结合工程实例, 合理确定了抛石潜堤颗粒流模型的细观参数, 克服了传统连续介质力学的宏观连续性假设, 形象而直观的模拟分析了抛石潜堤的动状稳定破坏。研究表明, 在波浪荷载作用下, 抛石重量是影响失稳的主要因素, 其次是堤顶宽度及断面坡度。抛石重量越大, 堤顶宽度越大, 断面坡度越缓, 则抛石潜堤的整体稳定性越好。应用此结论, 针对该工程, 对抛石潜堤进行了结构优化, 得到不同的抛石块体以及不同的断面形状的优化潜堤结构。     

双尺度纤维织物二维非饱和流动的数值模拟与实验

液体模塑成型工艺(LCM)中非饱和流动的填充模拟对于在虚拟空间中快速、高效地优化工艺参数具有重要意义。采用了一种模拟双尺度纤维织物在等温条件下非饱和流动的双尺度计算模型,通过引入沉浸函数求解宏观-微观流动控制方程组,同时考虑了在微观浸渍中毛细压力的影响,在有限元/控制体积算法中实现了对非饱和流动的数值模拟。随后对三向缝合纤维织物进行了二维径向填充实验,将实验结果与数值模拟的预测值对比。结果表明,该计算模型可以较精确地模拟双尺度纤维织物中的非饱和流动。在此计算模型的基础上,讨论了流体黏度、注射流量及纤维束孔隙率对非饱和填充浸润的影响。结果表明,不同流体黏度、注射流量及纤维束孔隙率对纤维织物填充过程中非饱和区域长度、入口压力曲线及填充时间影响不同。研究结果可以对合理预测纤维织物的浸润及树脂填充过程中入口压力提供指导。     

基于波浪-多孔介质海床-结构物耦合模型的单桩基础波浪力分析

为了研究波浪作用下多孔介质海床特性和结构物埋深及施工下放速度等因素对结构物所受波浪力的影响,采用修正RANS方程和Forchheimer饱和阻力模型控制流体流动,流体体积法（VOF）追踪自由液面,并采用κ-ε闭合方程进行求解,建立波浪-多孔介质海床-结构物相互作用研究的三维耦合数值分析模型。首先,进行数值模型的验证分析,包含多孔介质海床对波浪传播的衰减效应,波浪作用下结构物周围湍流流动以及海床多孔特性条件下WAVE FORCES结构物所受波浪力。然后,进行结构物所受水平波浪力影响因素的参数分析,主要包含波浪条件,多孔介质海床特性及结构物特性三个方面。结果表明：将多孔介质海床简化为刚性不可渗固体而忽视海床多孔特性,会低估结构物所受的波浪力数值;大波高长周期波浪作用下,深水结构物所受波浪力较大;海床孔隙率、颗粒直径、海床厚度显著影响结构物所受波浪力;同时,结构物直径、截面形式、埋置深度及其施工下放速度v等结构物特性对波浪力的影响同样显著。因此,工程实践中,应同时考虑波浪条件、多孔海床特性和结构物埋置深度及动态运动过程,合理计算结构物所受波浪力数值,以指导结构设计和施工。     

基于Fluent-EDEM流固耦合算法的水下台阶爆破爆堆形成过程研究

针对水下岩石台阶爆破过程中破碎块体复杂的受力运动及其堆积过程，采用FLUENT-EDEM流固耦合的数值计算方法，在颗粒间引入平行键与Hertz-Mindlin接触模型，通过巴西劈裂实验与数值计算的结果对比，标定了平行键的参数，并建立了水下台阶爆破模型，分析了水对岩体破碎和运动的力学作用机理，研究了水下台阶块体颗粒鼓包抛掷的整个运动过程，讨论了块体速度、块体分层堆积和流场特点。结果表明：块体颗粒堆积分层与其初始速度以及位置高度有关，台阶中部块体颗粒相对位置较高，在爆炸荷载作用下水平运动距离最远，上部堵塞部分的块体颗粒受爆炸荷载作用小，其主要在重力与浮力作用下翻滚覆盖在中部块体颗粒层之上。起爆初期爆炸能量主要是破碎岩石，水体无明显流速，随着块体颗粒的鼓包抛掷运动，台阶前表面附近的流体流线速度最大，当块体颗粒开始滚动滑落时，流线则主要受到颗粒的运动形式影响。另外，FLUENT-EDEM流固耦合的数值计算模型能精确模拟水下台阶爆破块体运动问题，可为水下岩体爆破工程提供新的研究手段。     

超大型结构物受波浪力作用的数值模拟

为了计算波浪效应下超大型结构物所受的波浪力,该文运用σ坐标变换来追踪随时间变化的自由液面,添加了浸没边界法(IBM)来处理不规则结构物表面,建立了基于大涡模拟(LES)方法的三维数值模型。为验证该数值模型的正确定,运用该模型来模拟规则波作用下大直径垂直圆柱的绕射问题,圆柱周围的波浪爬高数值解与解析解吻合良好。运用该三维数值模型,模拟了波浪与南京长江三桥南塔钢套箱相互作用的问题,数值计算出的结构物所受的波浪力与试验数据吻合良好,表明该数值模型能够很好地模拟工程中三维波浪与超大型结构物相互作用的问题。     

破碎波冲击作用下沉箱式防波堤振动—摇摆运动分析

文中建立了沉箱式防波堤弹性振动－摇摆运动分析模型,可对破碎冲击作用下防波堤的弹性振动－摇摆运动过程进行数值模拟。研究了摇摆运动对防波堤位移、转角、滑移力和倾覆力距的影响。结果表明,当倾覆力距大于防波堤的稳定力矩时,防波堤并不一定发生倾倒破坏;只有当防波堤摇摆运动转角大于倾倒的临界角时,防波堤才会发生倾倒破坏。而且摇摆运动可有效减小防波堤的滑移力和倾覆力矩。故在极限设计破碎波浪条件下可考虑允许防波堤出现摇摆运动,以实现更为经济的结构设计。     

潜堤上孤立波传播的格子Boltzmann法数值模拟

基于格子Boltzmann法建立求解不可压缩的Navier-Stokes方程的数学模型,对孤立波与矩形潜堤和半圆形潜堤的相互作用过程进行了研究。通过建立二维数值水槽,采用Rayleigh推板造波,模拟了孤立波越过潜堤的过程。通过模拟速度场和自由表面,证明该模型能很好地模拟流动的分离和涡流的产生,结果与已有实验数据吻合。研究表明该模型能够模拟孤立波与潜堤相互作用中的水流分离、涡流产生、波浪破碎和传播等非线性现象。所得结论对于潜堤工程设计具有参考价值。     

Wave interaction with a perforated circular breakwater of non-uniform porosity

Wave interaction with a porous cylindrical breakwater is studied analytically by linear potential wave theory. The breakwater is assumed to have a thin skin, is bottom-mounted and surface-piercing. The porosity of the breakwater is uniform vertically but varies in the circumferencial direction. This allows the choice of a partially impermeable wall or a vertical slot in the breakwater. Three different basic configurations of the breakwater are investigated, namely, (1) uniformly porous cylinder; (2) porous cylinder with partial impermeable wall; and (3) porous cylinder with an opening. The performance of these types of breakwaters is studied vs. wave parameters and breakwater configurations including angle and position of opening or partial impermeable wall as well as porosity. Parametric studies with regard to the wave-amplification factor, wave forces, and elevation contours are made. The results should be found useful in the design of coastal and offshore structures.     

波浪冲击作用下核电站防浪堤动力响应的数值模拟

基于多物质ALE方法,利用带阻尼罚函数实现波浪与防浪堤结构间耦合作用,模拟波浪冲击作用下防浪堤结构及流体三维动态响应过程,所得结果与物理模型试验结果一致性较好。讨论挡浪墙表面波压力分布及挡浪墙所承受最大水平推力及结构动态响应对波浪冲击系数影响。结果表明,前挡浪墙静水面位置与后挡浪墙底部波压力较大;后墙承受波浪水平推力较大;结构动态响应会增强波浪的冲击作用。仿真结果可作为防浪堤强度设计重要依据及控制越浪量设计参考。     

Analysis of oblique wave interaction with a submerged perforated semicircular breakwater

This study examines oblique wave interaction with a submerged perforated semicircular breakwater based on the linear potential theory. The fluid domain is divided into inner and outer regions by a perforated semicircular arc. The velocity potentials in the inner and outer regions are constructed by eigenfunction expansions and multipole expansions, respectively. The unknown constants in the velocity potentials are determined by matching the boundary conditions on the perforated arc. The convergence of the solution method we have developed is rapid. The reflection and transmission coefficients and the wave forces acting on the breakwater are calculated and examined. Some useful results are presented for practical engineering.     

A theory for the impact of a wave breaking onto a permeable barrier with jet generation

We model a water wave impact onto a porous breakwater. The breakwater surface is modelled as a thin barrier composed of solid matter pierced by channels through which water can flow freely. The water in the wave is modelled as a finite-length volume of inviscid, incompressible fluid in quasi-one-dimensional flow during its impact and flow through a typical hole in the barrier. The fluid volume moves at normal incidence to the barrier. After the initial impact the wave water starts to slow down as it passes through holes in the barrier. Each hole is the source of a free jet along whose length the fluid velocity and width vary in such a way as to conserve volume and momentum at zero pressure. We find there are two types of flow, depending on the porosity, β, of the barrier. If β is in the range 0 ≤ β < 0.5774 then the barrier is a strong impediment to the flow, in that the fluid velocity tends to zero as time tends to infinity. But if β is in the range 0.5774 ≤ β ≤ 1 then the barrier only temporarily holds up the flow, and the decelerating wave water passes through in a finite time. We report results for the velocity and impact pressure due to the incident wave water, and for the evolving shape of the jet, with examples from both types of impact. We account for the impulse on the barrier and the conserved kinetic energy of the flow. Consideration of small β gives insight into the sudden changes in flow and the high pressures that occur when a wave impacts a nearly impermeable seawall.     

基于虚拟介质方法数值模拟应力波穿透水舱

将虚拟介质方法推广到应力波与流固界面的相互作用,基于修正虚拟流体方法(MGFM)思想提出一种适用于流固界面应力波折射问题的界面状态计算法则。以此为基础,用Zwas格式和WENO格式分别离散固体和流体控制方程,数值模拟应力波穿透水舱。数值测试表明:虚拟介质方法推广到模拟流固界面上的应力波时,数值误差具有很好的收敛性;该研究提出的计算法则具有一阶精度。一维数值结果与理论解析解能很好地吻合,验证了用虚拟介质方法模拟应力波在流固界面处反射与透射的可行性。应力波穿透水舱的数值结果表明:虚拟介质方法与任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法得到的数值结果相近;水舱加压后,透射波的强度也相应的增加;不同的水舱压力下,应力波在流固界面处的折射规律相近。该结论对舰船的防护设计有实际意义。     

A Direct Forcing Immersed Boundary Method Based Lattice Boltzmann Method to Simulate Flows with Complex Geometry

In the present study, a lattice Boltzmann method based new immersed boundary technique is proposed for simulating two-dimensional viscous incompressible flows interacting with stationary and moving solid boundaries. The lattice Boltzmann method with known force field is used to simulate the flow where the complex geometry is immersed inside the computational domain. This is achieved via direct-momentum forcing on a Cartesian grid by combining "solid-body forcing" at solid nodes and interpolation on neighboring fluid nodes. The proposed method is examined by simulating decaying vortex, 2D flow over an asymmetrically placed cylinder, and in-line oscillating cylinder in a fluid at rest. Numerical simulations indicate that this method is second order accurate, and all the numerical results are compatible with the benchmark solutions.     

An alternative analytical solution for water-wave motion over a submerged horizontal porous plate

This study gives an alternative analytical solution for water-wave motion over an offshore submerged horizontal porous-plate breakwater in the context of linear potential theory. The matched-eigenfunction-expansions method is used to obtain the solution. The solution consists of a symmetric part and an antisymmetric part. The symmetric part is also the solution of wave reflection by a vertical solid wall with a submerged horizontal porous plate attached to it. In comparison with previous analytical solutions with respect to finite submerged horizontal porous plates, no complex water-wave dispersion relations are included in the present solution. Thus, the present solution is easier for numerical implementation. Numerical examples show that the convergence of the present solution is satisfactory. The results of the present solution also agree well with previous results by different analytical approaches, as well as previous numerical results by different boundary-element methods. The present solution can be easily extended to the case of multi-layer submerged horizontal porous plates, which may be more significant in practice for meeting different tide levels.     

波浪与外壁透空双筒柱的相互作用

对于波浪与透空外壁同轴双筒柱的相互作用问题,利用速度势的特征函数展开式和透空壁内流体速度与两壁间压力差成正比的线性模型,建立了一个线性解析解。应用这一模型开展了数值实验,用以检验孔隙系数和透空部分大小以及内外柱径之比对双筒柱上波浪力和波面高度的影响。计算结果表明,外壁孔隙系数和透空部分大小对波面升高和波浪荷载有很大影响,通过调整各个系数,应用双筒透空柱可以减小周围的波面高度及其上的波浪荷载。