浅窄航道会遇船舶水动力相互作用数值计算

该文应用CFD软件对两船在浅窄航道中会遇时的水动力相互作用进行数值研究,通过求解非定常RANS方程并结合RNG k-ε湍流模型,采用动网格技术及UDF进行船舶运动过程中的网格更新,对两船沿平行直线航行时的三维非定常黏性流场进行数值模拟,并对其相互作用水动力进行了计算。首先通过计算结果与试验数据进行对比,验证了数值方法的可行性和有效性;随后对四种船型在不同水深、航道宽度、两船航速比和船-船横向间距下的水动力进行了系列计算,通过结果分析得出了以上因素对两船会遇水动力相互作用的影响规律。     

船舶上滩的影响因素及动水特性试验

在急流滩地形概化了的试验水槽中，进行了多种水力条件下的船模上滩试验．试验结果表明，滩段的水面比降、水流速度及船舶水深吃水比是船舶上滩的主要影响因素．     

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。     

船舶进出闸室对系缆力的影响

船舶进、出闸室时,船行波在闸室内引起较大水面波动,造成闸室内系缆船舶的系缆力增大,影响闸室内的船舶停泊安全;大型船舶进、出闸室时,产生的船形波作用更强,对系缆船舶的系缆力影响更大。通过1∶36.3三峡船闸的物理模型和相同比尺5 000 t级典型大型船舶模型,采用系列物理模型试验,对船舶进出船闸时闸室内系缆船舶的系缆力进行了研究。研究结果表明,闸室内有系缆船舶时,船舶进、出闸的航行速度对系缆船舶的系缆力影响很大,进、出闸速度越快,其系缆力也越大。三峡船闸中,当水深5.5 m,闸室内有系缆船舶,大型船舶偏航进、出闸室时,为保证船舶停泊安全,航行船舶的进、出闸速度宜小于0.5 m/s。     

基于时域格林函数的有航速船舶与波浪相互作用的数值模拟

基于深水时域格林函数的数值处理方法及开发的计算程序,采用三维时域数值模拟方法,在线性势流理论框架内对深海波浪中航行船舶的辐射问题和绕射问题进行了求解,研究探讨了航行船舶与波浪相互作用问题.研究中对不同航行速度的Wigley型船水动力系数和波浪力进行了数值计算,通过与试验及文献计算结果的比较,验证了三维时域数值计算程序的有效性.     

浅水域中两船交错运行时的非定常波浪干涉

本文以Green-Naghdi（G-N）方程为基础,采用波动方程／有限元法计算两艘船舶在浅水域交错运动时的非定常波浪干涉特性。把运动船舶对水面的扰动作为移动压强直接包含在Green—Naghdi方程里,以描述运动船体和水面的相互作用。本文以S60 CB=0．6船为算例,给出在两艘船交错运动时,自由面波高,波浪阻力及横向力的变化特征。计算结果发现,当两艘船船首接近时,波浪阻力增加。接着,两艘船船身相向平行航行时,阻力减少。两艘船船尾相遇时,波浪阻力又增加。最后随着两船的远离,波浪阻力趋于正常。两船之间的侧向力呈现相似的变化规律。两船先承受横向排斥力,接着相互吸引,尔后又排斥。最后两船远离,横向力消失。计算结果表明,在两船间距较小和船速较大时,两船间的吸引力相当显著,应该予以充分重视。     

地下空间出入楼梯洪水动力特性试验研究

近年来国内外已有许多城市的极端强降水事件造成了地下空间受淹而导致巨大损失的发生,而地下空间防洪方面的研究成果寥寥无几.本文通过地下空间出入楼梯的水工模型试验,重点将人体所受水流阻力与流量的关系作为一个新的研究角度,研究了入侵洪水的动力特性:当流量达到安全撤离的临界条件0.28 m3/(s·m)时,最大流速到达3.9 m/s.水流对人体的阻力随着流量的增加呈线性增长,双腿站立的阻力与流量关系曲线的斜率较单腿站立的要大;在最不利的着装条件下,单腿受力的最大值为3.93×9.8N,双腿受力的最大值为8.96×9.8N.其结果为防洪设计和疏散指导工作提供理论依据,并为今后地下空间洪水入侵机理的研究提供参考.     

库区滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用机理研究

库区滑坡涌浪可能危及大坝及下游安全,基于流体动力学的滑坡涌浪数值模拟可获得完整的分析数据,将成为研究滑坡涌浪与大坝作用过程的重要手段。本文以某大坝上游约1300 m的3#变形体滑坡涌浪为研究对象,建立库区三维滑坡涌浪数值模型,并通过水工物理模型试验对其模拟精度和有效性进行了验证。研究结果表明,数值模拟得出的涌浪高度变化、水面起伏过程与水工物理模型试验结果基本一致,数值模拟能反映滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用的整个过程。最后基于数值模拟获得的数据,分析了滑坡涌浪与大坝作用过程,以及坝面动水头与坝前涌浪高度的变化关系。分析认为,库区水体反复震荡、叠加而形成的涌浪对下游沿岸安全危害可能更大,大坝坝顶及下游有必要采取避险措施;最大动水头小于涌浪高度,若采用静力方法计算分析坝体稳定应力,其结果偏于安全。     

限制性航道中船行波传播特性的数值研究

基于完全非线性Boussinesq方程的开源程序包FUNWAVE-TVD建立了限制性航道中船行波运动的数值模型,重点分析了船舶在该类型航道中诱导生成的最大船首孤立波波高、最大船尾波波高以及最大近岸横向流速的时空分布规律。结果表明：模型能较好地捕捉船行波在限制性航道中的演化过程;根据回归分析得到了最大船首孤立波波高η_max与船舶吃水p、弗汝德数F_r的幂函数型经验关系;最大船尾波波高η_max及最大近岸横向流速u_ymax随船舶吃水p和弗汝德数F_r的不同呈分段式变化规律。研究结果可为限制性内河单线航道的设计以及通航要求提供参考。     

小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析

针对小流域暴雨山洪精细模拟问题,提出了小流域时空变源混合产流模型,以小流域为单元构建了暴雨山洪分布式模拟模型,开发了可视化时空变源分布式水文模型软件FFMS和水动力学计算软件FHMS。以宝盖寺小流域场次暴雨洪水计算为例,分别采用水文学和水动力学方法计算了小流域暴雨山洪过程,并分析了两种方法的计算精度、效率、实用性等。案例研究结果表明:(1)水文与水动力学方法均可实现小流域暴雨山洪的模拟,模拟结果与实测基本一致;(2)对于无资料小流域暴雨洪水计算,水文学建模速度快,计算效率更高,水动力学方法建模和计算效率更低;(3)在复杂地形条件下暴雨洪水形成机理、演进过程模拟方面,水动力学计算结果更加精细和准确;在山区中小流域洪水预报预警方面,水文学方法更加实用。     

海湾型潮汐通道中大型深水港开发的水沙问题研究

正在建设中的我国钢铁基地曹妃甸的前沿深槽属于典型的海湾型潮汐通道,潮流在深槽内基本为东西向的往复流,是维持深槽水深的主要动力;其泥沙的运动受波浪与潮流共同作用,风浪掀沙作用对含沙量场影响明显。针对这类海湾型潮汐通道的波浪、潮流、泥沙及海床演变的特点,建立了波流共同作用下的二维泥沙数学模型,并进行了2006年冬、夏季大小潮潮流、泥沙的验证。验证结果表明,本海域潮位及15条同步垂线流速、流向、含沙量过程的计算值与实测值吻合良好,矿石码头港池前沿计算的冲淤厚度及其分布趋势与实测值接近。在此基础上,研究了曹妃甸深水港开发引起甸头以南深槽、老龙沟深槽、各港池的流速变化及港池航道内的回淤和台风暴潮引起的骤淤等问题,为论证沿海潮汐通道的保护利用以及港口工业的发展等提供依据。     

有限深分层流体中运动物体尾流生成内波的一种移动脉动源方法

分层流体中运动物体激发的内波可分为两类,一类是体效应内波,另一类是尾流内波。对于体效应内波,理论研究趋于成熟;而对于尾流内波,主要以实验研究为主,理论分析相对欠缺。该文采用一种移动脉动源来模拟分层流体中运动物体的尾流效应,结合内波本征值问题及Fourier变换等方法,得到了计算有限深分层流体中移动脉动源生成内波垂向位移场的表达式。此法适用于有限深度中的任意分层流体。利用该理论模型,对Robey实验条件下的密度分层流体进行了数值模拟。重点从波系和波形分析文中解释了实验中存在的两个现象:即物体高速运动时横波系的存在和散波系的分离。针对运动波形,进行了数值和实验结果比较,表明了所建模型的合理性与有效性。     

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。     

水库滑坡涌浪灾害的数值研究

应用一维数学模型、二维数学模型及混合数学模型,对水库滑坡涌浪灾害进行了分析研究。在此基础上研究了长江三峡库区的两个典型地段黄腊石滑坡及链子崖危岩体。结果表明：若滑坡一旦发生,都将对附近12 km左右范围内人民生命及财产造成相当严重的危害。     

波流环境中污染物混合的分析

本文根据垂向二维数值模型计算求解和分析了波流环境中的一维对流扩散方程中的混合系数。此二维数值模型采用非线性k-ε紊流模型封闭雷诺时均方程,应用VOF方法处理自由面。分析方法是用该二维模型计算波流环境中污染物瞬时源产生的浓度场,计算该浓度场的断面平均浓度,求此断面平均浓度的概率分布,由概率分布的方差随时间的导数得到一维对流扩散问题中的混合系数。通过算例分析,发现波流环境混合系数随着波浪周期和波 高的不同,可能大于纯流和纯波的混合系数之和,也可能比纯流情况下小;波周期与混合系数呈正比。且存在一个使混合系数最大的波高。     

用格子Boltzmann方法模拟涌波的反射与绕射

本文应用格子Boltzmann模型建立离散动力学模型,并利用Chapman Enskog对模型的方程组进行展开,建立了模拟二维浅水动力学的方程组。在从理论上证明了它严格地满足质量和动量的基本守恒定律的基础上,应用所建立的模型进行数值试验,模拟了溃坝涌波现象及其与固壁和建筑物的相互作用。利用这一模型计算了溃坝波与水中方柱和圆柱的相互作用,以及明渠内的涌波的反射和绕射复杂流场。该模型具有显式的表达形式,易于编程应用;粒子运动是彼此独立的,适合于并行数值计算;边界条件易于处理;易于处理多相流动微观机制等优点。     

舰船在波浪中补给的运动性能研究

本文介绍舰船在波浪中补给时的运动响应理论计算方法，运用三维势流理论计算两船的水动力相互作用和波浪扰动力。根据两船的相对运动进行两船补给时的相碰概率预报。预报结果与水池船模试验进行了初步验证，吻合较好。     

太湖湖流、波浪、沉积物的三维数值模拟

运用ECOMSED模拟风速为6.5 m/s定常东南风作用下太湖流场及波浪场,对模型的适用性及可靠性进行验证;在此基础上进行波流共同作用下沉积物再悬浮数值模拟,得出沉积物-水界面切应力及水体中悬浮物浓度分布。结果表明:太湖有效波高范围在9~29 cm之间,有效波高的空间分布与风速、风向和水深有很大的关系,同时波浪对切应力会产生很大影响,而切应力的分布决定了悬浮物浓度的分布,风浪及地形要素是导致太湖悬浮物浓度变化的重要因子。模拟结果与现有实验成果较吻合,说明运用该模型模拟太湖沉积物再悬浮的结果可靠。     

大坝监测多测点多方向位移数学模型研究

为适应大坝监测工作的实际需要,提出一种大坝位移建模新思路,介绍了模型研究的意义和相关概念与理论;简述了模型的求解方法,并给出应用实例,对模型成果进行了对比分析,模型取得了满意的精度,具有实际意义。     

溃坝洪水在下游水库的演进及坝前爬高

基于物理模型试验,探讨上游坝体溃决时间T_1、上游坝前水深H_1、上游水库面积S_1、下游坝前水深H_2及下游水库面积S_2等因素对溃坝洪水在下游水库演进、初始波高及下游坝前初始波浪爬高的影响。结果表明:溃坝洪水在下游水库的演进过程可分为洪水波、洪水涌浪、反射叠加、振荡衰减4个阶段。下游坝前初始波浪爬高随T_1、H_2、S_2的增大而减小,随H_1的增加而增大,与上游水库面积S_1无明显相关关系。拟合出下游坝前初始波浪爬高值经验公式,并得出各因素对波浪初始爬高影响程度从大到小的次序为:T_1、S_2、H_1、H_2。