基于BEM与VOF耦合模型的潜堤附近波浪变形研究*

BEM和VOF方法是目前模拟近岸波浪变形的2种有效方法。以这2种模型为基础构建了一个前域应用BEM、后域应用VOF方法的波浪数值计算耦合模型（BEM+VOF模型）,并应用该模型对波浪越过水下潜堤的波面变形过程进行研究。结果表明,计算值与实验值吻合良好,说明本文建立的波浪耦合模型可以很好地模拟波浪和结构物的相互作用。     

越浪的湍动及流场分析

越浪一直是波浪水动力问题的一个难点,原因在于其形成受到多种强非线性现象的作用。应用一种新型数值波浪模型(0-1BEM+VOF耦合模型)对越浪过程进行研究分析,并探讨了湍动动能、动能耗散率及流场在周期内的变化趋势。     

VOF与LevelSet耦合的界面计算方法及其对波浪破碎过程的模拟

破碎波浪传播过程的数值模拟是研究波浪破碎特性的重要手段。文章提出了一种用于计算界面的VOF和Level Set耦合算法,从而利用VOF方法质量守恒、Level Set方法能够更准确计算法向量的优点。体积分数采用一种较新的VOF几何方法——isoAdvector方法计算,并在此基础上建立了基于等值面的界面重构算法,Level Set函数通过几何迭代方法进行计算并用于计算法向量。通过溃坝问题的求解,验证了该方法的有效性,并将其应用于波浪在地形上传播破碎问题的求解,与实验结果进行对比,说明该方法可以很好地模拟复杂地形上的波浪传播破碎问题。     

波浪对平板结构冲击作用数值模拟

为研究波浪冲击特性,应用FLUENT软件建立了规则波与平板结构相互作用的二维数学模型,模型中采用RANS方程和κ-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面.对3种典型工况下的冲击过程进行数值模拟,验证了模型的可靠性,并确定冲击压峰值的平均值作为波浪冲击特性指标.通过大量的数值计算,分别对波陡、平板离开水面距离和板宽等因素对波浪冲击作用的影响进行了分析讨论,并与试验结果进行比较.     

波浪在斜坡堤上传播的数值模拟

基于VOF自由表面追踪技术,通过直接求解Navier-Stokes方程及κ-ε方程,建立了求解波浪与建筑物相互作用的数值波浪水槽,并将其用于研究波浪在不透水斜坡堤上传播的物理过程。首先,通过对水平床上非线性波传播过程的模拟分析验证了该数值波浪水槽的模拟精度;在此基础上,对规则波在斜波堤上传播的水动力过程,包括波浪爬坡、越浪及越流等进行了数值模拟,并通过物理模型试验结果对堤前水位及越浪量变化的模型模拟结果进行验证。     

基于重叠网格方法的船舶迎浪增阻与运动数值预报

基于粘性流CFD软件建立了三维数值波浪水池,并对带舵的KCS船模在静水和5个不同波长的规则波中航行进行数值模拟。文中采用入口处模拟波速的方法造波,消波方法运用强迫消波技术(Wave Forcing),并利用VOF方法追踪自由波面的变化,在数值水池中成功模拟了波浪的生成与传播;最后结合重叠网格方法对KCS船模迎浪增阻与运动响应进行数值计算,并将计算结果与试验数据进行对比分析,吻合良好,为今后准确预报舰船在波浪中的增阻和运动响应提供参考。     

单桩波浪破碎荷载的数值模拟研究

基于开源程序Open FOAM建立了三维波浪破碎数值模型,模型控制方程采用三维不可压缩粘性流体运动RANS方程,应用VOF方法捕捉自由表面,分别运用动量分布源方法、阻尼消波方法实现数值造波和消波,紊流模型选用RNG k-ε模型。利用所建立的三维波浪破碎数值模型模拟了破碎波对单桩结构物的作用力,并与物理模型实验数据进行对比分析。结果证明该模型可以较好地模拟近岸单桩结构物所受破碎波浪荷载。     

威海船厂港域泊稳试验研究与数值模拟

针对威海船厂搬迁工程进行了港域波高物理模型试验研究。试验表明在2 a一遇波浪条件下大多数泊位满足泊稳要求,个别泊位不满足要求但相差不大。采用MIKE21-BW模型,考虑波浪的反射、绕射、破碎等物理现象建立近岸波浪数学模型,对港域单向不规则波传播变形过程进行数值模拟,将数值计算结果与试验结果进行比较。二者在港池外有效波高最大差值为0.29 m,港池内最大差值为0.1 m,吻合度较高,表明BW模型可用于威海船厂近岸波浪传播变形与泊稳计算。     

波浪数物耦合模型的一种新的信号滤波方法

以二维波浪传播数模与物模耦合模型规则波低频滤波问题为研究对象,采用摄动法建立了线性补偿滤波方法。耦合模型中,数值模拟采用基于改进Boussinesq方程的三角形网格有限元模型,物理模拟采用推板式造波机。文中分析了耦合模型信号滤波的目的和目标,并通过造波信号频域的分析,对比了文中方法与传统方法在信号稳定性方面的效果,通过波浪耦合模拟实验对比了波面的数模与物模结果。实验结果表明,与传统方法相比,文中方法能有效解决造波信号的慢漂和计算值偏小的问题,信号更加稳定,耦合误差更小。     

开孔率对开孔板消浪效果影响的数值模拟研究

采用VOF方法,结合k-ε紊流模型建立数值波浪水槽。造波边界采用内源造波法,造波边界后方和波浪水槽出口边界均采用海绵层消波,自由面采用F函数追踪,从而数值模拟了波浪对开孔板的作用。将开孔板前波浪反射系数的数值计算结果与文献[14]的物理模型实验结果进行比较,验证所建立的数值模型及计算方法的正确性。通过改变开孔率,模拟波浪与开孔板作用的开孔板前波浪的反射系数,进而分析了开孔率与波浪反射率的关系。同时,分析了波浪作用下开孔板的迎浪面与背浪面的点压力差变化,并主要探讨开孔率与点压力差的相互影响关系。分析结果表明:随着开孔率α的增大,反射率减小,透射率增大,点压差呈非线性变化。     

基于边界元方法的二维全非线性数值波浪水槽(英文)

The development of a two dimensional numerical wave tank (NWT) with a rocker or piston type wavemaker based on the high order boundary element method (BEM) and mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) is examined. The cauchy principle value (CPV) integral is calculated by a special Gauss type quadrature and a change of variable. In addition the explicit truncated Taylor expansion formula is employed in the time-stepping process. A modified double nodes method is assumed to tackle the corner problem, as well as the damping zone technique is used to absorb the propagation of the free surface wave at the end of the tank. A variety of waves are generated by the NWT, for example; a monochromatic wave, solitary wave and irregular wave. The results confirm the NWT model is efficient and stable.     

双层圆柱壳典型基座振动波传递特性优化分析

采用波动分析法,根据不均质结构中的阻抗特性和波型转换,分析振动噪声在典型双层壳结构中的传递特性。以此为切入点,采用有限元/边界元(FEM/BEM)耦合法分析人为构造的传递损失基座的减振降噪性能。通过对组合板振动波的传递特性的分析可以得出,当定常结构发生突变时,结构阻抗也会随之发生变化,导致结构之间的阻抗失配,从而使得振动波在突变截面处发生反射和透射,降低振动波的传递效率,阻隔振动波能量向下游结构传递。然后,据此理论设计了传递损失基座,并用有限元/边界元耦合法验证了传递损失基座的减振降噪性能。     

数值波浪序列中的高频成分

可靠的波浪模拟方法对于海洋结构物水动力性能的评估而言至关重要。文章基于软件FLUENT,分别采用四种不同的网格模型,实现了对于规则波的模拟。文中采用VOF方法对自由液面进行捕捉,并采用动网格方法模拟摇板的运动从而实现造波。考虑到数值耗散及截断误差对数值模拟结果的影响,针对沿水池方向的波浪衰减情况进行了相关研究。为了避免造波板的初始运动所引起的波面扰动,引入了一种“缓入”方法使造波板缓慢地达到最大幅值的运动,有效地避免了初始扰动所带来的影响。数值模拟的结果分别与一阶和二阶理论解进行了对比。结果表明,该数值波浪模型能够给出可靠的预测,为下一步模拟强非线性波浪（如畸形波）奠定了基础。     

Numerical simulation of nonlinear wave force on a quasi-ellipse caisson

A three dimensional numerical model of nonlinear wave action on a quasi-ellipse caisson in a time domain was developed in this paper. Navier-Stokes equations were solved by the finite difference method, and the volume of fluid (VOF) method was employed to trace the free surface. The partial cell method was used to deal with the irregular boundary typical of this type of problem during first-time wave interaction with the structure, and a satisfactory result was obtained. The numerical model was verified and used to investigate the effects of the relative wave height H/d, relative caisson width kD, and relative length-width ratio B/D on the wave forces of the quasi-ellipse caisson. It was shown that the relative wave height H/d has a significant effect on the wave forces of the caisson. Compared with the non-dimensional inline wave force, the relative length-width ratio B/D was shown to have significant influence on the non-dimensional transverse wave force.     

NSPMF-EB耦合模型及其在近岸波浪计算中的应用

提出通过耦合透水介质的流体运动方程(NSPMF模型)和改良Boussinesq方程(EB模型)来描述近岸水波现象的数学模型。NSPMF模型的优越性在于它能描述波浪破碎、越浪以及波浪和各种结构物(包括透水性结构物)之间的相互作用等伴随着复杂流动结构的局部波动现象;EB模型则可用于求解广阔海域内非线性不规则波浪的运动和变形过程。耦合模型兼有二者的优势,具有广阔的应用前景。验证计算的结果表明本文建议的耦合方法是有效的。     

推力轴承结构形式对水下航行体振动与声辐射特性影响研究

针对带推力轴承结构的水下航行体,采用有限元与边界元耦合方法,建立水下航行体整艇流固耦合有限元模型以及水中边界元模型,利用ANSYS刚性域功能建立全舱壁式和半舱壁式两种推力轴承结构形式,计算他们所引起的整艇振动与声辐射特性,并且比较分析他们之间的差异.研究表明,全舱壁式推力轴承结构相比半舱壁式推力轴承结构有一定减振降噪效果.     

绕船体粘性自由面流动的数值计算

考虑自由面的船舶粘性流动计算由于其复杂性和对计算机硬伯的较高要求，只是到了最近几年才得到较大发展，而在国内尚属起步阶段。本文使用VOF方法计算了绕Wigley船型的粘性自由面流动，流模式选择了SSTκ-ω模型。计算获得了船体上波形以及船波等值线图，同时考察了三个不同横截面上的流动状况。计算得到的阻力还和发表的试验结果作了对比，结果令人鼓舞。     

多周期稳定数值造波的参数设计方法

[目的]针对数值模拟中波浪随传播时间和距离发生波幅衰减及相位偏移的问题,提出一套可用于多周期稳定造波的参数设计方法.[方法]基于Navier-Stokes方程和流体体积(VOF)方法进行五阶Stokes波数值模拟,通过对一维波动方程的离散形式进行分析,研究几个重要参数对造波效果的影响.最后,应用所提参数设计方法对KCS...