内孤立波环境下竖直柱状物受力特征研究综述

内孤立波是海洋、近岸、河口等水体中常见的物理现象,在稳定层化水体中的密度跃层上由外界扰动诱发产生,其传播过程中所激发的剪切流会伴随着巨大的能量,对水下工程结构物的安全稳定造成严重威胁。因此,探究内孤立波与工程结构物相互作用规律具有重要意义。在整理与总结国内外众多学者研究进展的基础上,从物理试验与数值模拟2个方面介绍了内孤立波对结构物作用特性研究的常见方法,并对竖直柱状物在内孤立波环境下所受水平作用力、垂向作用力与力矩特性规律和所受水平作用力敏感性因素的研究成果进行总结。最后,对内孤立波环境下竖直柱状物受力特性相关研究后续需要关注的问题进行展望。     

内孤立波与有航速潜体相互作用数值模拟

基于两层流体中内孤立波的KdV-mKdV理论解,采用速度入口和开管道方法进行内孤立波数值造波与消波,建立了同时具有造波、造流和消波功能的数值波流水槽。利用所建立的数值波流水槽,对内孤立波与有航速潜体相互作用问题进行了数值模拟,计算分析了受力特性。数值结果表明,内孤立波造波结果理想,消波效果显著,在内孤立波流场中有航速潜体将会受到突发性冲击载荷的作用。研究表明,利用所述方法来研究内孤立波与有航速潜体的相互作用是一条有效的途径。     

有限深两层流体中内孤立波传播演化理论模型研究

该文对Choi和Camassa给出的一个内孤立波方程模型中的系数进行了修正,并给出了基于方程的内孤立波定态解表达式,将其称为内孤立波me Kd V理论解,进而采用有限体积/有限差分混合方法数值求解内孤立波的三类(Kd V、e Kd V和me Kd V型)非线性传播演化方程,分别以内孤立波的Kd V、e Kd V、MCC和me Kd V定态解作为初始输入波,研究其非线性传播演化特性,并获得其适用性条件。结果表明,三类非线性传播演化方程,只适合于相应内孤立波定态解初始波的定态传播,而对其他定态解初始波将发生波形变形、分裂等非线性现象。在此基础上,定量地给出了三类非线性传播演化方程的适用性条件,为采用何种非线性方程来研究实际海洋中内孤立波的传播演化问题提供了理论依据。     

台阶形陆架上孤立波传播的数值模拟

为了研究孤立波在带有陡升台地的陆架上的传播,用MAC方法求解了二维纳维尔-斯托克斯方程。本文在以下几点,改进了东京大学提出的修正的网格标记法:1.给出交错网格的新的标号系统;2.推导出自由表面上非规则星的新的压力迭代公式;3.对流函数、压力和速度使用了三值悬旗;4.把一维Burgers方程的部分守恒形式扩展用于二维N-S方程。这些使得程序更简单和精确。计算结果证卖,物理上很好地解释了孤立波的传播,入射波分成了反射波和透射波,然后开始分裂、破碎。 本文计算结果与线性波理论的结果很一致,但后者不能给出波运动的过程。     

无反射造波数值波浪水槽

本文应用ＶＯＦ方法建立了二维数值波浪水槽模型。基于线性造波机理论在水槽左端设置了可吸收式造波机数值边界条件。即造波板的运动除了产生行进波外，同时还产生一个抵消反射波的局部波动。水槽右端除了通常的可滑移与无滑移直墙边界条件外，依据线性辐射条件建立了开边界条件。通过水槽右端为直墙时的全反射情形，比较了可吸收造波机与普通造波机的速度变化与波面变化。文中在Ｈ０／ｄ＝０．１￣０．３，ｄ／Ｌ＝０．１２４￣０．     

分层强剪切环境下减阻板对圆柱减阻效应研究

由于上下水层流动反向,柱体在分层流环境中与密度均一流环境中受力差别较大。将密度均一流环境下上游减阻板对柱体减阻的概念引入分层流环境下的圆柱受力研究中,建立三维数值模型,采用大涡模拟(LES)技术,研究内波环境下圆柱的减阻效应。结果表明:在上层水体中,减阻板对柱体受力影响较大;在下层水体中,减阻板几乎不起作用。减阻板背部的漩涡形态是影响柱体减阻效应的根本原因。减阻参数(阻塞比l/D及“板-柱”间距s/D)决定了柱周漩涡结构特征,直接影响减阻效果。引入减阻比B_R量化了减阻效果,采用回归分析拟合出B_R与s/l的经验公式。需将减阻参数控制在合理范围内,避免发生“减阻过度”。研究成果对提高近岸及河口建筑物墩柱安全有重要意义。     

孤立波作用下边界层的模拟与分析

孤立波作用下的边界层内的剪切力以及涡量变化对海啸传播和海底地形塑造十分重要。本文基于多区域谱方法,利用直接模拟(DNS)数值模型,对在具有矩形断面的U形水洞内的孤立波下的边界层流动进行了模拟。将数值模拟结果与解析解以及试验结果进行了对比,发现数值结果与后两者吻合得较好。模拟结果显示,在低雷诺数下,扰动不会改变流态,而随着雷诺数的增大,流态会变得十分复杂。中等雷诺数情况下,边界层内会产生正向的涡,并进行稳定的传播。在较高雷诺数情况下,流动进入层流向紊流发展的过渡期,此时边界层内会产生正涡以及负涡,并会在水深方向进行不规则运动。     

海洋内孤立波作用下张力腿平台动力响应特性

基于三类内孤立波理论KdV、eKdV和MCC的适用性条件,将张力腿简化为非线性梁模型,采用Morison和Froude-Krylov公式计算张力腿平台的内孤立波动态载荷,结合浮体有限位移时域运动方程,建立了内孤立波与张力腿平台相互作用的理论模型。以东沙群岛附近海域某实测内孤立波为对象,对典型张力腿平台(ISSC-TLP)在内孤立波作用下的动态载荷、运动响应以及张力腿张力的变化特性进行数值分析。研究表明,内孤立波不但对张力腿平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度的纵荡位移,还会显著增加张力腿的张力。因此,在张力腿平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

三孤立波的斜坡爬高特征

该文采用推板式造波机和改进的Goring造波方法在波浪水槽中生成了由三个等波高孤立波组成的波列,首先在坡度为1/10的斜坡上进行了多个孤立波连续爬高的实验研究。实验测量了等波高双孤立波和三孤立波在等水深波浪水槽中传播和在斜坡上的爬高过程,给出了沿程多点浪高仪测量的波面时间序列和高速摄像记录的水线在斜坡上爬高与回落过程影像。分析了来波相对波高和无量纲波峰间距对每个孤立波爬高放大系数的影响。在基于RANS方程和VOF方法的数值波浪水槽中,模拟了三孤立波爬高过程,给出了最大爬高与破碎特征。实验和数值模拟结果表明,孤立波在斜坡上回落时会产生强劲的回流水流,该反向流动导致后随孤立波破碎,消耗波动能量,使得后随孤立波的爬高放大系数明显小于没有回落水流影响的首个孤立波的爬高放大系数。当孤立的波峰间较大时,若来波相对波高较小,后两个的孤立波爬高基本相同;若来波相对波高较大时,第三个孤立波的爬高大于第二个孤立波的爬高。     

孤立波爬坡，漫顶以及再生的数值模拟

本文用数值模拟的方法对孤立波翻越倾斜坡岸的全过程进行了研究.计算过程稳定,同Hall&Watts和NicholasDodd的实验结果吻合良好,某些情况下比NicholasDodd方法更接近实测值.能很好地模拟出波浪爬坡,漫顶以及越过物体后再次形成波浪的全过程.     

两层模式下内波K-dv方程的频散关系

为了更好地了解内孤立波的特性,分别利用椭圆余弦波方法和摄动展开方法,对两层模型下内孤立波K-dv方程的频散关系进行了推导。结果显示：利用后一种方法得到的两层模式下内孤立波K-dv方程的频散关系是一种方便、实用的解析式。据此解析式可进一步得到内孤立波半波宽度与内波波数间的关系,从而可将内孤立波理论与内波合成孔径雷达（SAR）图像联系起来。用此解析式计算得到的内孤立波频率和相速度与实测结果具有很好的一致性,因而为进一步进行分析和利用数据估计内孤立波的部分参数提供了理论依据。对解析式中频散项和非线性项量级的进一步分析认为,非线性项的作用在从SAR图像中提取内波振幅等参数时最好不予忽略。     

一般密度分布的分层流体中内孤立波三阶理论

在浅水假定下,可以用KdV方程描述一阶内孤立波演化,其单个孤立波解有熟知的“Sech”波形,波速与波幅呈线性关系,波长与波幅的平方根成反比。本文借助计算机代数软件一MATHEMATICA,这种理论推广到三阶,得知高阶项满足线性化非齐次KdV方程,并得到波形和波速的三阶修正以及波长的二阶修正。在Boussinesq近似下讨论了有线性基本剪切流动与不变的Brunt-Vaeisalae频率这一特殊情形。     

Numerical simulation of low-Reynolds number flows past two tandem cylinders of different diameters

The flow past two tandem circular cylinders of different diameters was simulated using the finite volume method. The diameter of the downstream main cylinder （D） was kept constant, and the diameter of the upstream control cylinder （d） varied from 0.1D to D. The studied Reynolds numbers based on the diameter of the downstream main cylinder were 100 and 150. The gap between the control cylinder and the main cylinder （G） ranged from 0.1D to 4D. It is concluded that the gap-to-diameter ratio （G/D） and the diameter ratio between the two cylinders （d/D） have important effects on the drag and lift coefficients, pressure distributions around the cylinders, vortex shedding frequencies from the two cylinders, and flow characteristics.     

An experimental study on runup of two solitary waves on plane beaches

Experiments of the runup of two solitary waves on a plane beach are carried out in a wave flume. The two solitary waves with the same amplitude and the crest separating distances are generated by using an improved wave generation method. It is found that, with regard to the two solitary waves with same wave amplitude, the runup amplification of the second wave is less than that of the first wave if the relative crest separating distance is reduced to a certain threshold value. The rundown of the first solitary wave depresses the maximum runup of the second wave. If the leading solitary wave is of relatively smaller amplitude for the two solitary waves, the runup amplification is affected by the overtaking process of two solitary waves. It turns out that the runup amplification of the second wave is larger than that of the first wave if the similarity factor is approximately larger than 15, which means the larger wave overtakes the smaller one before the waves runup on a beach.     

Numerical simulation of the internal wave propagation in continuously densitystratified ocean

A numerical model is proposed to simulate the internal wave propagation in a continuously density-stratified ocean, and in the model, the momentum equations are derived from the Euler equations on the basis of the Boussinesq approximation. The governing equations, including the continuity equation and the momentum equations, are discretized with the finite volume method. The advection terms are treated with the total variation diminishing （TVD） scheme, and the SIMPLE algorithm is employed to solve the discretized governing equations. After the modeling test, the suitable TVD scheme is selected. The SIMPLE algorithm is modified to simplify the calculation process, and it is easily made to adapt to the TVD scheme. The Sommerfeld＇s radiation condition combined with a sponge layer is adopted at the outflow boundary. In the water flume with a constant water depth, the numerical results are compared to the analytical solutions with a good agreement. The numerical simulations are carried out for a wave flume with a submerged dike, and the model results are analyzed in detail. The results show that the present numerical model can effectively simulate the propagation of the internal wave.