桩基挡板式透空堤透浪系数计算及试验研究

在威格尔对直板透浪系数研究基础上,采用微幅波理论并结合不同透空堤结构尺寸(挡浪板宽度与挡板间距之和D,桩基的宽度b及挡浪板间距△D组合)推导透空堤透浪系数计算公式.并基于广东新港荔枝湾防波堤模型试验,研究了挡浪板的相对入水深度、挡浪板间距、不同波浪重现期对透浪系数的影响,验证了理论推导透浪系数计算公式的合理性,计算了波浪条件d/L≤0.245和t/d=0.35～0.78范围内的透空堤透浪系数,为确定合理的透空式防波堤结构提供设计依据.     

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。     

孤立波作用下组合型港池共振响应的数值研究

港池受到孤立波入射时会在港池内激发多种模态的共振响应。为进一步研究不同平面布置形式港池的响应特性和共振规律,建立不同内外港池长度和连接位置的组合型港池,采用基于Boussinesq方程的波浪数值模型MIKE 21-BW模拟了孤立波作用下组合型港池的共振响应,对数值模拟的结果进行频谱分析和波幅分布测定并与现有理论值比较。结果表明,孤立波正向入射组合型港池激发的主要响应模态的频率和与其长度相等的细长港池的理论固有频率接近,各主要共振模态的振幅与内外港池的长度和两港池口门的距离有密切关系;波浪入射方向和港池内边界反射条件的改变对狭长组合型港池中形成的各共振模态的形状影响不大,但是增大港池宽度会使港池内激发明显的横向共振。最后提出了消减港湾共振的平面布置形式,可为实际工程设计提供指导。     

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。     

波浪荷载对半圆型潜堤作用的数值分析

基于动量源数值造波原理,运用Fluent软件模拟了半圆型潜堤表面波压的分布及变化规律,采用π定理分析了波陡、水深及波长对半圆型潜堤表面波浪力的影响,并通过统计潜堤表面各点所受压力（最大波压力与最小波压力的差值）最大值的分布,给出了半圆型潜堤表面压力最大值出现的位置及概率.分析结果表明,在水深较深时,波陡的改变会使波压力在堤顶至背浪侧发生明显变化;水深波长比的改变,会引起半圆堤两侧波压力不同的变化;波压力的最大值一般发生在堤顶处及其偏向背浪侧附近;半圆堤面上的动波压力最大值主要出现在两侧堤脚附近,随着波高的增加,堤面上各点的动波压力由近似对称分布向两侧受力不同转变.     

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。     

吴淞口波浪场数值模拟

针对吴淞口水深变幅较大，岸线曲折多变，又存在导堤和航道等水利设施的特点，本文采用能够综合波浪折射、绕射、反射、破碎、非线性色散等因素的CGWAVE缓坡方程模型，模拟了吴淞口二维单频波波浪场并取得了较为合理的计算结果。     

FPSO甲板上浪的数值模拟

FPSO在其生命周期内遭受的上浪风险很大,严重的上浪可导致结构的损坏。本文建立了三维数值水池,对规则波下固定FPSO的甲板上浪进行了数值模拟。得到了甲板和甲板室上的冲击载荷和上浪水在甲板上的水位高度以及波浪沿船首爬升、变形、破碎的过程。水池采用动边界造波,自由面由VOF方法来捕捉,在水池后段的动量方程中添加了源项以消除后端壁面的波浪反射。     

溃坝涌波的数值模拟

本文利用气体动力学中新近提出的TVD显格式对五个溃坝涌波的模型问题进行数值求解。数值结果表明,这类格式具有高分辨率、高精度、不产生虚假振动而且适应性强。     

江苏如东海域波浪数值模拟研究

根据如东海域地形、波浪特点及验证点布置情况,以如东海域的风速资料为基础,依据风生浪的理论和方法推算风浪尺度,采用MIKE21 SW数值模型对如东海域的设计波浪要素进行模拟和分析,根据波浪验证点的要素对比来验证模型模拟的准确性和可靠性,解决了因实测资料缺失导致传统方法无法计算的局限性,并对计算方法和模型的适用性进行了探讨。计算成果作为基础性资料,可广泛应用于海上风电领域的工程建(构)筑物的设计。     

水平斜插板透空式防波堤消波性能数值模拟

通过改进已有的防波堤模型，建立了一种新型水平斜板透空式防波堤模型。基于VOF方法建立了波浪与水平斜板防波堤相互作用的数值模型。经数值模拟研究了该新型水平斜板防波堤结构对波浪透射系数的影响，主要考虑了斜板角度、波陡、相对板间距、相对板宽和相对出水高度等因素对防波堤消波效果的影响。模拟结果显示:①水平斜插板透空式防波堤比水平板透空式防波堤的消波效果好。在斜插板作用下，随着斜板角度增大，透射系数逐渐增大，但增幅逐渐减小；②随着波陡增大，透射系数先减后增；③随着水平板间距增加，透射系数增大；④随着防波堤相对板宽的增大，透射系数逐渐减小；⑤随着防波堤出水高度增加，透射系数先减后增。结果表明，该新型结构防波堤的消波效果显著，可以很好地消减波浪，应用前景良好。     

Modelling of wave transmission through a pneumatic breakwater

A theoretical approach is derived to study interaction of linear water waves with an air bubble curtain used as a pneumatic breakwater. Modelling of wave transmission through an aerial barrier is a complex task due to a need to cover processes associated with wave-current interaction, effects of two-phase flows, wave damping, etc.. An initial boundary-value problem is solved by applying an efficient eigenfunction expansion method and a time-stepping procedure. The derived semi-analytical solution is used to study the effect of basic parameters of the model on wave dissipative properties of the pneumatic breakwater. Results show that wave damping by the breakwater is mainly affected by an air flow rate. The increased air discharge results in higher velocities of ascending bubbles and increases aerial barrier width. This leads to a substantial reduction of transmitted wave heights, especially for waves of intermediate length and short waves. In order to verify the applicability of the presented theoretical approach, laboratory experiments are conducted in a wave flume for different wave regimes and pneumatic breakwater characteristics. The analysis of a wave transmission coefficient calculated numerically and measured in the laboratory confirms that the derived model can be used for a certain range of wave conditions.     

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。     

孤立波翻越防波堤流动的湍流数值模拟

应用湍流数学模型和流体体积法模拟孤立波翻越防波堤的流动和自由表面变化。数模成功地再现了波浪涌顶和喷射、射流入水、自由表面破碎和漩涡产生等复杂流动过程,并获得了孤立波翻越防波堤时的压力分布。     

淹没水跃的数值模拟

本文通过求解时均N－S方程κ－ε紊流模型，数值模拟了淹没水跃由静止到最终稳定的全过程。采用隐式非正交同位网格有限体积法离散控制方程组，利用动网格技术跟踪自由表面，并由Orlanski开边界条件得到无反射的出口边界。文中给出了淹没水跃在不同时刻自由表面形状、内部流场结构和流速矢量的变化情况，并与试验资料进行了比较。结果表明，本文方法能够准确有效地描述淹没水跃这类复杂自由表面流动的紊动特性。     

斜坡上梯形潜堤附近流动结构的数值研究

波浪通过斜坡上潜堤时的波形和非线性特性均有显著变化,同时潜堤附近会出现涡流的生成及消散现象,有必要对其深入研究.基于1:20的斜坡上的波浪水槽实验,分析规则波在斜坡上不可渗梯形潜堤附近的动力特性.本文垂向二维波浪数学模型以RANS方程为控制方程,采用非线性涡黏性(各向异性) 紊流传输模型封闭雷诺应力项,利用VOF方法追踪自由表面以及采用源函数造波技术来模拟规则波对斜坡上潜堤的作用,数值计算结果与实验测量数据进行对比,吻合良好.利用数值计算进一步分析了流场、流线、紊动动能及紊动动能耗散率等特性,重点探讨了堤顶水深变化的影响,得到随堤顶水深增大,潜堤的消浪作用将明显减弱.     

Numerical simulation of wave interacting with a submerged cylinder using a 2D RANS model

A 2D RANS numerical model (IH2VOF) is employed to study wave interacting with a circular cylinder with a diameter of 0.02 m in a water depth of 0.27 m, with a wave period of 1.08 s and a wave height of 0.047 m. The influence of the wall proximity on the forces is analyzed for ratios between the pipe (i.e. circular cylinder) distance from the bottom and the pipe diameter varying from 0.04 to 1.5. Results of lift forces and streamlines are compared with the experimental results of Jarno-Druaux et al. (1995) and good agreement is found. Lift, drag and inertia coefficients are also compared with experimental results and the same trend of fundamental quantities with the gap between the cylinder and the bottom was obtained with the model giving slightly larger values. Finally, the influence of the method to estimate the drag and inertia coefficients in the force calculated using Morison equation is analyzed and Morison method shows the better agreement.