实验室水槽内基于二阶理论的波浪模拟

实验室常用的一阶造波理论中的小振幅假设会在造波时生成附加的自由伪谐波,该波浪会影响造波的质量,而二阶造波方法可以通过附加造波板运动消除该自由伪谐波。文章基于Sch?ffer建立的二阶造波理论,建立了实验室水槽造波软件,针对规则波和不规则波,分别采用一阶和二阶理论进行推板造波实验,验证了二阶造波方法的有效性,二阶造波方法可有效抑制自由伪谐波,得到更精确的波形,并对采用二阶造波理论产生波浪时的问题进行了讨论。     

基于二阶造波理论的聚焦波实验室模拟

目前实验室中的聚焦波均是利用线性叠加原理产生的,其中造波板位移为各组成波浪按线性造波理论所得分量之和。但是聚焦波浪特性会受到线性造波板位移产生的自由伪谐波的影响。文章采用二阶造波理论建立实验室中聚焦波浪造波软件,并分别采用一阶理论和二阶理论进行物理水槽和数值水槽造波实验,结果表明采用二阶造波理论可以有效地提升水槽聚焦波浪的模拟精度。     

水流中由双色波群在潜堤上激发的低频长波研究

双色波群经过试验水槽内的曲线潜堤生成低频波浪,比较纯波作用和逆流作用时波群生成低频波浪的特性差异。造波系统采用二阶造波理论,二阶伪自由长波得到有效抑制。试验重点观察了谐波的生成、短波的阻隔、特别观测了长波在波浪阻隔点处的穿透问题。详细阐述了低频波浪在阻隔点前后的衍生过程。     

椭圆余弦波对圆弧型固立防波堤的绕射波浪力

基于椭圆余弦波绕射理论,应用特征函数展开法,推导浅水波对圆弧型固立防波堤绕射的波势解,据此计算作用于防波堤的水平波浪载荷。结果表明:浅水波入射角与非线性影响参数、海况条件以及防波堤几何条件等因素的相对变化对波浪作用均存在一定的影响。与微幅波理论对比可知:在一定浅水条件下采用椭圆余弦波一阶分量模型所计算的最大无量纲波浪力均明显高于微幅波理论的对应估值,反映了水波非线性因素的影响效应。     

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。     

基于粘性流造波板数值造波方法研究

利用动网格技术实现了推波板的摆动,采用流体体积法VOF（Volumeoffluid）捕捉自由液面,并应用粘性流体的N—S方程模拟数值波浪水池,结合标准k-ε湍流模型,基于仿物理的推板造波数值方法,采用CFD商业软件Fluent及其二次开发功能,建立了三维规则波数值波浪水池模型,通过结果分析可得,仿物理推板造波的质量高且稳定性较好。     

孤立波作用于V形薄壁防波堤的绕射波浪力

在一定条件下浅水波可能以孤立波形态作用于离岸结构。基于波浪绕射理论,推导V形薄壁防波堤的一阶孤立波绕射理论解。通过对孤立波作用于防波堤的波浪力进行计算,研究孤立波对V形防波堤的作用规律。通过对180°张角的有限长薄壁V形堤足够长时的绕射波浪力计算,与无限长直立薄壁堤的孤立波反射波浪力进行有效的相似性比较。结果表明:孤立波的最大无量纲波浪力明显大于相同浅水条件下Airy微幅波理论的对应结果,由此反映浅水波的非线性效应;孤立波入射角、V形堤张角、防波堤臂长与水深比以及孤立波特征参数等因素的变化均将对波浪荷载产生一定的影响。     

分段式造波机生成斜向波浪特性的理论研究*

分段式造波机是实验室模拟真实海浪以及研究波浪特性的重要设备。单元造波板的相对宽度和波浪周期是影响分段式造波机生成波质量的重要因素。通过数值模型研究分段式造波机生成斜向波浪的理论特性,分析了波浪周期与相对造波板宽度对波浪传播的影响,总结分段式造波机的有效区域范围的变化规律,可为实际试验提供参考。     

近自由水面水平板式防波堤消波特性及消波机理研究

近自由水面刚性水平薄板可作为一种新型的防波堤型式,文章通过应用完全非线性数值波浪水槽技术来探索这种型式防波堤的消波特性和消波机理.研究发现:水平板的浅水效应、透射波浪回流和板后波数分解成一系列高频短波是该种型式防波堤消波的三个重要原因.从工程应用的角度考虑,板的潜深与波高的比值以及板长与波长的比值是决定水平板消波的两个重要参数,合理地调整这两个参数,板式防波堤的透射系数可控制在0.2至0.5之间.由非线性数值模拟结果还可以发现,对于非常接近自由水面的水平板问题而言,会产生不少于3阶的高频短波,这说明用线性理论研究物体近自由水面问题是有局限性的.     

基于摇板式造波机的无反射造波仿真

在海洋工程水池试验中,造波机与模型之间的二次波浪反射严重影响试验结果的准确性和可靠性。在势流理论的基础上,采用边界元法建立了二维线性数值波浪水池。通过数值模拟结果与解析解的比较,证实该数值波浪水池的适用性。采用全相位频谱分析方法作为水动力反馈,对入射和反射波进行分离,以分离的反射波信号控制摇板运动以达到吸收二次反射波浪的目的。在此基础上,对摇板式造波机在数值波浪水池中进行了无反射造波仿真试验。仿真结果表明,采用无反射造波后,能有效减弱波浪的二次反射。     

基于FLUENT的垂向二维数值波浪水槽的造波效果

建立精准的数值波浪水槽需要选取合适的造波方法、波浪方程和网格尺寸。利用FLUENT流体力学模型,采用源项法、推板法、速度边界法3种造波方法,分别建立不同网格尺寸和波陡条件下的数值波浪水槽。结合相应的波浪理论,比较采用各造波法的数值一阶线性波和二阶Stokes波、三阶Stokes波效果,得出数值波传播特点、适宜网格尺度及波陡对数值波效果影响。结果表明,源项造波法造波的波高沿水槽衰减最快,对网格尺寸变化最敏感;推板造波法数值造波效果最好;速度边界造波法计算效率最高,数值波高沿水槽衰减速度最小;在数值水槽的波浪传播有非线性作用影响,导致即使造波是线性波,传播到一定距离后,波面也有非线性变形。     

平推式造波板运动的数值模拟

平推式推板造波机是近岸及海洋工程波浪物理模型试验中非常重要的试验设备.文章通过垂向二维数学模型,利用线性造波理论来模拟造波板运动,分析了造波板前后水体动力过程,以及当造波板后不设消波设施时,造波板至后墙距离对水体动力过程的影响.该数学模型以包含水气二相流系统的Navier-Stokes方程为基本控制方程,应用粒子Lev...     

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...     

浅水中质量源造波方法

针对质量源造波过程中源区上方水体高度难以确定的问题提出了改进方法,将源区高度值考虑到源强方程中,避免了造波过程中源区上方水体高度值多次试算带来的不便。该方法弥补了质量源造波方法在水深小于1.5 m的浅水中所造波浪与理论波浪之间差距较大的缺陷,尤其是水平网格步长与源区高度值相比小于10的情况,推广了质量源造波方法在浅水中的应用。文中验证了波高对所造波浪的影响以及时间步长对浅水中所造波浪的影响,得出结论:当波高与水深的比值小于0.2时所造波浪波高与理论值的拟合较好;当时间步长小于0.005 s时所造波浪无明显的上下漂浮现象,波形稳定,符合理论波形要求。     

楔形冲箱的二阶斯托克斯波制造理论及其SPH检验

冲箱式造波机已应用于国内外许多物理水池,但缺乏制造二阶斯托克斯波的冲箱运动控制理论。基于冲箱浸没体积的变化量与生成的波浪体积相守恒的原理,推导了关联楔形冲箱运动与目标波浪要素的隐式方程组,并给出了制造二阶斯托克斯波的约束条件。应用推导的造波理论,在经过精度检验和收敛性分析的光滑粒子流体动力学（SPH）波浪水池中模拟二阶斯托克斯波的生成。将数值波面与解析波面进行比较,显示生成的二阶斯托克斯波的波形稳定、波要素准确,证实了该造波理论的可靠性。     

基于能量分配的特定畸形波序列的数值模拟

文章对一个理论畸形波序列进行了数值模拟并且将数值结果与理论值做了对比.采用速度入口方法以实现波浪模拟.在造波边界处不考虑高阶波浪成分,只输入线性波浪速度.分别采用三种不同分辨率的网格进行数值模拟,以找到足够有效捕捉自由面的网格模型.考虑到快速傅里叶变换不能反映畸形波的时频特征,因而引入小波变换研究畸形波传播过程中的能量变化.最后比较了北海实测畸形波和文中理论畸形波小波变换的差异.     

不规则波浪的数值模拟

优良的波浪环境条件是研究非线性波浪和浮式结构物相互作用问题的基础.文章在数值波浪水池中对不规则波浪进行了数值模拟,造波通过摇板的运动实现,消波通过在水池后段设置消波区实现,自由液面由VOF方法捕捉.对计算所得的波浪时历进行谱分析并将所得谱与理论谱进行了比较,吻合良好.     

三维数值波浪水池造波技术研究

数值波浪水池是一种新兴的研究平台,相对于物理实验具有经济花费少、结果数据详细等优势.采用FLUENT软件建立三维粘性数值波浪水池,运用二次开发接口UDF(Universal Disc Format)模拟造波机的工作方式,实现摇板造波和在动量方程中添加源项实现消波区的消波.数值水池运用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)模型捕捉自由面,湍流模型为RNG雷诺时均模型.输入波列为同一波长、多个波高的简谐波波浪序列,将序列中的计算结果与理论值对比,验证数值波浪水池的造波能力.     

基于能量分配的特定畸形波序列的数值模拟（英文）

文章对一个理论畸形波序列进行了数值模拟并且将数值结果与理论值做了对比。采用速度入口方法以实现波浪模拟。在造波边界处不考虑高阶波浪成分,只输入线性波浪速度。分别采用三种不同分辨率的网格进行数值模拟,以找到足够有效捕捉自由面的网格模型。考虑到快速傅里叶变换不能反映畸形波的时频特征,因而引入小波变换研究畸形波传播过程中的能量变化。最后比较了北海实测畸形波和文中理论畸形波小波变换的差异。     

滑行艇在规则波中的数值模拟

针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足,提出了一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法,实现其在波浪中自由运动的水动力性能预报。首先根据水波理论利用CFD技术完成了三维数值水池的造波和消波,然后以某型滑行艇为模型,将六自由度方程赋予滑行艇,实现了其在迎浪匀速航行时随波浪的自由运动,最后通过Fluent数值计算得到了其在波浪中自由运动时的阻力、升力、升沉位移、纵倾角以及兴波等流场参数。计算结果表明:利用该方法获得的某型滑行艇的流场参数较真实地反映了滑行艇在波浪中的姿态,为滑行艇耐波性实验提供了一定的理论依据。