基于Delft3D的离岸堤附近波浪与波生流数值模拟

基于Delft3D三维波流耦合模型,模拟了仅波浪作用下出水离岸堤附近的波浪与波生流,与物模试验资料进行了对比,结果表明,Delft3D波流耦合模型能较好模拟波浪在近岸区域的浅水变形、折射、绕射、破碎等物理现象,波高、波生流沿断面的分布与试验结果吻合良好,验证了该模型在波浪传播变形、波生流模拟的可靠性;研究了不同入射角度与不同波高时离岸堤附近波生流的形态,研究表明入射角度增大,沿岸流也随之增大,离岸堤后方环流逐渐向波浪入射方向的下游移动,不同的入射波高条件下,离岸堤附近流态并没有太大变化,波高增大主要引起流速增大。     

求解SUBOFF绕流问题的粘势流耦合方法

针对SUBOFF光体绕流问题,根据Helmholtz速度分解定理将流场速度分解为势流部分和非势流部分,代入到N-S方程推导得到耦合势流速度的关于非势流速度的控制方程,其中势流部分速度采用数值方法预先求得,非势流部分控制方程的表达与N-S方程一致,可直接采用传统N-S方程的计算方法求解。文中在Open FOAM平台内实现了SUBOFF绕流问题的粘势流耦合计算,通过对不同来流速度下的SUBOFF绕流的计算模拟,并将耦合方法计算获得的流场中的速度、压力等,与文献中试验结果以及传统计算流体动力学(CFD)等计算的结果进行仔细比较和分析,相关结果吻合良好。流场中的非势流部分速度分量在远场较小,甚至趋于0,论文分析考察了较传统CFD方法计算范围小的区域,将粘势流耦合方法与传统CFD方法进行了计算研究和对比。研究表明,粘势流耦合方法对区域大小不敏感,可以采用更小的计算区域,同时提高计算效率;该方法适用于绕流问题的计算模拟,为改善CFD计算效率提供了新的途径。     

淤泥质海岸波生沿岸流特性研究

淤泥质海岸波生流数值模拟缺乏有效验证数据和手段。为此,提出一种模型相互比对的验证方法,基于两种模型平台,引入三维波生流理论,经验证后开展地形坡度及波浪要素对于波生沿岸流的影响研究。研究结果表明:所建议的模型相互比对验证方法,可以有效弥补淤泥质海岸波生流实测资料匮乏的不足;淤泥质海岸波生沿岸流流速相对较小,但仍可达到潮流量级。随着岸滩坡度趋缓,波生流范围逐渐扩展,沿岸流流速相应变小;随着入射波高的增加,波生沿岸流的强度和影响范围逐渐增大;当波浪入射角度为45°时,波生沿岸流流速最大。     

14000 kW救助船恶劣海况下失速系数数值研究

为研究救助船舶在恶劣海况条件下的失速性能,保证救助船舶的航行安全性,选取非线性势流计算方法和黏流CFD方法,计算KCS船在静水和规则波中的波浪增阻及船舶运动.将计算结果与船模试验数据进行对比可得:2种数值模拟计算方法在计算波浪增阻时,误差均在3.6％以内,但非线性势流理论方法相较于黏流CFD方法能够大量节约时间.因此,选定非线性势流理论计算方法为救助船数值试验计算方法,将救助船非线性势流理论计算结果与静水船模试验结果对比,在设计航速17.5 kn时,阻力误差绝对值为2.22％,选取方法有效.根据ITTC 2014年提出的失速系数计算方法进行目标船型失速预报,在设计航速17.5 kn条件下,5级海况时失速系数最大,为0.93,7级海况时失速系数最小,为0.66.     

船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟

结合已有的耐波性研究成果,在基于粘性流理论,运用CFD方法成功构建长峰不规则波数值波浪水池的基础上,选择国际船模试验水池会议(ITTC)推荐瘦削型标准船模DTMB 5512作为试验对象,对船舶在长峰不规则波中纵向运动进行数值模拟,将数值模拟结果与势流理论计算结果进行比对,效果良好。     

0-1型BEM与VOF方法耦合模型的研究与应用

文章讨论了近年来出现的波浪耦合数值模型,并建立了一个前域采用考虑底摩阻的0-1型BEM方法,后域采用VOF方法的双向耦合的波浪数值模型(0-1BEM+VOF模型)。应用模型计算了平缓岸坡上规则波的传播与破碎,并通过与物模试验的结果进行对比,表明了0-1BEM+VOF波浪耦合数值模型可以很好地模拟波浪的传播与强非线性变形,验证了该模型的有效性和准确性。     

海上浮式结构物的水动力仿真研究

基于粘性计算流体力学的方法建立三维数值波浪水池,模拟有限振幅波的传播,并计算三维球体在规则波环境下所受的波浪力。采用两相不可压的RANS方程求解非定常不可压缩粘性流体,并采用流体体积函数(VOF)法对自由面进行动态模拟。通过编写用户自定义函数(UDF)设置边界入口速度和波高,实现在波浪水池尾部1~2倍波长区域消波,最终求出有限振幅波的模拟结果以及规则波中三维球体所受的波浪力,该结果与势流理论边界元法得到的结果在趋势上吻合良好。该研究方法为模拟分析其他海洋结构物在波浪中的水动力奠定基础,丰富与扩展了数值波浪水池的应用。     

二维驳船结构在规则波作用下的高频共振响应研究

基于势流理论建立二维完全非线性数值波浪水槽模型,利用该模型对二维驳船结构在非线性规则波作用下的高频共振响应进行了研究.采用高阶边界元方法解决边界值问题,应用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶龙格库塔法模拟结构物与波浪的相互作用,引入虚拟函数法耦合求解波浪载荷与物体运动.计算了浮动驳船结构在规则波作用下的运动,并将数值结果与实验值进行了对比验证.当入射波浪的3倍频等于物体横摇方向固有频率时,物体横摇运动发生的高频共振现象,并分析了其影响因素.基于完全非线性数值波浪水槽模型探究了高频共振响应现象的发生机理,为今后海洋工程结构物的高频共振响应问题做有益探索.     

一种适用于陡波条件下研究半潜平台周围波浪非线性爬升效应的计算方法

陡波条件下波浪沿柱体的非线性爬升效应一直是水动力学研究的热点问题,并成为半潜平台气隙预报的一个重要方面.文章基于N-S方程和连续性方程建立了三维数值波浪水槽,采用类似于深水试验池的摇板造波方式生成波浪.详细研究了多种网格划分形式,并与试验测量值进行对比,确定了最优的网格划分方案,同时保证了数值方法的可行性.随后,在该数值水槽内对半潜平台周围波浪爬升效应进行了数值模拟.整个流域采用分块耦合网格划分技术,全部生成六面体结构化网格,提高了迭代运算的速度和求解的精度,并可捕捉到更为光顺的自由液面.结果表明,该方法能够对平台周围的波面分布进行详细的数值模拟,并预报出波浪非线性较强的区域,为模型试验前确定浪高仪的安装位置提供了重要依据.计算得到的波面分布和模型试验相似,进一步证明了该数值方法模拟波浪绕射和爬升等现象是可行的.此外,文中还从物理现象上模拟并分析了波浪沿立柱的绕射和爬升过程,可为今后进一步研究波物之间的非线性相互作用提供参考.     

基于CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.     

准三维波生近岸流数学模型在裂流研究中的应用

阐述了一种考虑波流耦合作用的准三维近岸流模型SHORECIRC。该模型耦合了REF／DIF波浪模型（折／绕射模型）对近岸流进行模拟计算。基于该模型，将模拟结果与Borthwick等人在英国海岸工程研究所做的实验进行对比，验证了模型的正确性和适用性。在此基础上，进一步分析了波浪入射波高、入射角度、底摩阻及驼峰高度对裂流的影响，得出了一些有用的结论。     

均匀流中潜艇水下运动表面尾迹的数值模拟

本文通过基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在均匀流中水下运动的表面尾迹特征进行了探索性研究,较好地解决了用粘性流方法来模拟远场波浪中的数值耗散问题,数值计算得到的潜艇运动尾迹特征与诸多文献和理论分析结果基本一致.本文均匀流中的数值模拟将成为潜艇在分层流运动数值模拟的基础.     

随浪规则波中ONR内倾船纯稳性丧失黏流模拟方法研究

纯稳性丧失作为5种典型的船舶在波浪中运动失稳的模式之一，是波峰位于船舯时复原力显著减小而导致船舶大幅横摇甚至倾覆的运动失稳现象。论文采用STAR-CCM+商业软件，模拟全附体ONR内倾船在随浪下的纯稳性丧失现象。数值模拟中采用重叠网格技术实现船-桨-舵耦合的多体运动求解，通过速度边界条件进行造波，采用欧拉叠加模型进行消波，考虑了实船螺旋桨的旋转因素，对舵进行自动控制来实现航向的稳定。模拟了ONR内倾船在不同航速下发生纯稳性丧失导致大幅横摇甚至倾覆的过程，并与试验结果进行了对比，最大横摇幅值的计算值与试验值趋势一致。分析了在不同航速下舭龙骨、桨、舵等附体力和力矩的变化。论文建立的CFD数值模拟方法，为更加细致地分析波浪中纯稳性丧失的运动现象提供了技术支撑，为后续势流方法中的螺旋桨、舵等附体力学模型的改进提供了参考。     

缓坡海岸平均沿岸流实验研究与数值模拟

沿岸流研究对海岸工程具有重要的应用价值。为了更深入地研究沿岸流特征,文章对1∶100和1∶40两个较缓坡条件下的沿岸流进行了实验研究,弥补了现有实验研究主要针对较陡坡情况,不具有代表性的弊端,并通过数值模拟进一步阐述了缓坡情况下的平均沿岸流不同于陡坡情况下的物理机理。主要特色与创新有：第一、通过物理模型实验研究发现了1∶100坡度地形条件下存在不同于1∶40坡度情况下的平均沿岸流速度分布特征：前者海岸一侧平均沿岸流分布呈下凹趋势,而后者呈上凸的趋势。第二、通过平均沿岸流数值模型对1∶100和1∶40缓坡沿岸流的不同特征进行数值模拟,找出了影响平均沿岸流速度剖面特征的主要因素为破波带内波高分布和水底摩擦力表达式的选取不同,且对后者更为敏感。1∶100坡度海岸沿岸流速度剖面可由水流型水底摩擦力来计算出,而1∶40坡度海岸沿岸流速度剖面可由波浪型水底摩擦力来计算出。第三、在此基础上进一步给出了缓坡情况下二次破碎波高和波浪增减水的分布特征。     

方尾船绕射问题RANS求解研究

基于RANS方程,采用VOF方法捕捉自由液面,通过自定义函数UDF在Fluent平台上建立了三维数值波浪水池,模拟了规则波的生成、传播和消波,发现波陡对数值造波的精度有较大影响。求解了规则波中顶浪航行的方尾船模型的波浪力,并与试验结果和势流理论结果进行了比较。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。     

基于数值波浪水池的柔性浸没短板流固耦合研究

浸没于水中的柔性板壳可作为水下防波堤、波浪能装置等海洋工程结构的简化模型。论文基于Stokes五阶波浪和人工阻尼消波理论对软件ANSYS Fluent进行二次开发，在构建的数值波浪水池中，对柔性浸没短板的有限元结构模型进行双向流固耦合计算。改变板壳结构刚度、沉没深度等参数，分析短板的水弹性振动和波浪的透射系数。仿真结果表明，短板在特定的板壳结构刚度和沉没深度下会发生共振，并能有效反射波浪。搭建的双向流固耦合计算平台能对复杂的流固耦合现象准确地仿真，为研究柔性浸没短板与波浪相互作用提供可靠的工具。     

基于全时域势流理论的船舶与液舱晃荡耦合运动的数值计算

基于三维线性有航速时域势流理论计算船体时域运动外域波浪力,同时采用三维全非线性时域势流理论来计算舱内液体的非线性晃荡所诱导力与力矩,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程。该方法能够完整地考虑波浪、船体和液舱晃荡之间的实时耦合作用。研究结果表明:通过模型实验和数值模拟计算的对比,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,无航速船体运动RAO与模型实验结果吻合良好,有航速运动计算合乎预期。     

沙质海岸破波带内底部离岸流及沙坝迁移数值模拟研究

建立了破波带内三维水动力泥沙数学模型体系,模型中同时考虑了波浪、波生底部离岸流、非粘性泥沙运动及地貌演变等动力机制。通过波浪水槽实验实测水、沙及地形数据验证,所建模式可有效模拟破波带内底部离岸流、泥沙运动过程及离岸沙坝的随时间迁移规律。模拟成果表明波浪破碎后引起的波生流系在破波带内形成一个时均垂向环流结构,其中底部时均流向指向外海,表层则指向近岸,靠近破波点处,底部离岸流的流速逐渐降低。在时均垂向环流体系的输送下,破波带内被波浪掀起的床面泥沙在底部离岸流作用下持续向外海输送,并在破波点附近堆积形成沙坝。沙坝的形成改变了局部波流场结构,在波浪的持续作用下逐渐向外海运移直至剖面达到基本平衡。     

8000kW救助船规则波下的运动与波浪载荷预报

随着数值计算技术的发展,船舶运动与波浪载荷预报精度也在不断提高。介绍了三维势流理论方法在规则波上船舶运动与波浪载荷预报中的应用,以8 000 k W救助船为例,预报了其运动与波浪载荷。通过应用三维势流理论,可以为船舶耐波性评估和结构设计提供依据。     

拼装式海上栈桥码头的浮箱拼接计算

采用三维势流理论计算不规则波中的两浮箱的运动响应,其中考虑了它们之间相互作用的影响。而后计算出两模块上连接器之间的相对运动,最终找到浮箱拼装的最佳状态。并提出了一种有效而又简单的方法预报两浮箱在波浪中的耦合运动,为浮箱的拼装作业提供了依据。