规则波对平板缓变压力作用数值模拟研究*

采用计算机数值模拟方法,在FLUENT软件计算平台上建立了二维规则波数值波浪水槽,对透空平板结构底面受到的波浪缓变压力作用进行研究。数学模型采用RANS方程和k-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面。首先对3组典型工况进行了模拟,采用低通滤波器方法提取上托力信号的缓变部分,通过数值模拟和试验结果的比较,验证了模型的有效性。然后讨论了波陡、超高和板宽等因素对面板底部所受的最大缓变压强的影响,给出了便于工程应用的计算波浪上托力缓变压强的经验公式,以供工程设计参考。     

不规则波对平板缓变作用数值模拟研究（英文）

本文采用计算机数值模拟方法,在FLUENT软件计算平台上建立了二维不规则波数值波浪水槽,对透空平板结构底面受到的波浪缓变压力作用进行了研究。数学模型采用RANS方程和k-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面。首先对几组典型工况进行了模拟,复演了波浪冲击透空平板结构的过程,采用低通滤波器方法提取上托力信号的缓变部分,通过数值模拟和试验结果的比较,验证了模型的有效性。然后通过计算和分析,得到了波浪冲击过程中缓变压强的变化特性,不同有效波高、超高、平均周期下缓变压强的分布规律,波陡、超高和板宽各因素对缓变压强的影响。最后给出了计算缓变压强分布宽度的公式,认为分布宽度与波浪作用在板上的宽度x、相对超高和相对板宽等因素相关。另外,根据模拟结果,文中提出了缓变压强的拟合公式,与河海大学原经验公式进行了比较,认为原公式计算结果偏小,并不完全适用,新公式更加合理可行。研究结果有利于更准确地预报波浪的缓变压强荷载,深入认识波浪作用机理。     

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。     

不规则波对平板冲击作用数值模拟研究（英文）

文章采用数值模拟方法,建立了基于FLUENT软件的二维不规则波浪数值模型,探讨了波浪对水平板结构的作用机理。模型中采用RANS方程和标准k-ε方程,采用VOF方法重建自由液面。通过数值模拟复演了波浪冲击水平板结构的过程,将数值模拟结果与实验数据进行比较,验证了模型的可靠性。经过计算和分析,研究了波浪冲击平板过程中的冲击压力和流场特性,得到了冲击压力和流场的分布规律。分析了波陡,净空及板宽等参数对冲击压力和流场的影响。最后,给出了波浪冲击压力与相应水质点垂直速度间的统计关系,并对河海大学原有冲击压力的计算公式进行了改进,提出了新的冲击压力公式。研究结果表明:冲击压力峰值与相应的水质点垂直速度的平方成正比,修正后的冲击压力公式更为合理、可行。论文工作将对准确预测冲击载荷,掌握更多的冲击机理具有重要意义。     

不规则波对平板冲击作用数值模拟研究

文章采用数值模拟方法,建立了基于FLUENT软件的二维不规则波浪数值模型,探讨了波浪对水平板结构的作用机理.模型中采用RANS方程和标准k-ε方程,采用VOF方法重建自由液面.通过数值模拟复演了波浪冲击水平板结构的过程,将数值模拟结果与实验数据进行比较,验证了模型的可靠性.经过计算和分析,研究了波浪冲击平板过程中的冲击压力和流场特性,得到了冲击压力和流场的分布规律.分析了波陡,净空及板宽等参数对冲击压力和流场的影响.最后,给出了波浪冲击压力与相应水质点垂直速度间的统计关系,并对河海大学原有冲击压力的计算公式进行了改进,提出了新的冲击压力公式.研究结果表明:冲击压力峰值与相应的水质点垂直速度的平方成正比,修正后的冲击压力公式更为合理、可行.论文工作将对准确预测冲击载荷,掌握更多的冲击机理具有重要意义.     

基于数值和实验方法的非透浪梳式防波堤的水动力学特性研究

采用源函数造波法建立了三维数值波浪水槽模型,模拟了不同随机种子数(NW)下的随机波浪,与目标谱对比的结果证明当NW=200时,采用文中的数值方法可以得到较好的模拟精度;建立了随机波浪对一种非透浪梳式防波堤作用的数值模型,通过数值模拟结果和实验结果的比较,验证了该数值模型的有效性。对该非透浪的梳式防波堤的水力学特性进行了实验研究,并应用上述数值方法对结构的所受冲击波浪力机理进行了分析,数值结果证明在该结构的危险水位下,由结构的翼板和胸墙下底板所构成的异型空腔结构是导致翼板上产生较大冲击压力的主要因素。在此基础上,为了消减翼板的冲击压力,提出一种改进的结构型式,最后对该改进结构的翼板上波浪力特性和波浪反射系数进行了实验研究。     

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。     

波浪对有梁面板结构冲击作用数值模拟

采用计算机数值模拟方法,在FLUENT软件计算平台上建立了二维规则波数值波浪水槽,对透空有梁面板结构底面受到的波浪冲击作用进行研究。数学模型采用RANS方程和k-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面。通过对不同工况的数值模拟和试验结果比较,验证了模型的造消波性能和应用的有效性。通过计算,得到了波浪冲击过程中波陡、超高和板宽各因素对冲击压强的影响。最后在已有冲击压强计算公式基础上提出了修正公式,以更准确地预报波浪的冲击荷载,深入认识波浪冲击机理。     

基于CIP方法对波浪冲击过程的数值模拟

为了研究波浪对结构物的冲击过程中空气相的影响,文章基于紧致差值曲线(CIP)方法建立了可压缩两相流数值波浪水槽模型。在模型的验证基础上,首先模拟了规则波对直墙的冲击,冲击压强的数值结果与实验值吻合较好,表明CIP方法可以精确的计算波浪对结构物的冲击问题。最后将模型应用于模拟规则波对水平板的冲击,对比分析了水平板前、中、后部自由面的发展过程。结果表明在水平板中前部,空气垫层是影响波浪冲击中压力变化的重要因素:对波浪的冲击起到了一定的缓冲作用,但空气垫层的存在也使冲击过程更加复杂化。     

二阶波浪漂移力的回归分析

二阶波浪载荷的预报对动力定位能力评估具有重要意义。对二阶波浪载荷的预报,通常可采用模型试验和数值模拟的方法。模型试验费用昂贵,数值模拟时面元划分的合理性对计算结果的影响很大,且模型试验和数值模拟周期都相对较长。采用压力直接积分法进行系列船型的二阶波浪漂移力计算,在此基础上,采用模长界限控制的正交化方法的多元多项式回归分析,给出二阶波浪漂移力的回归公式,并进行了验证分析。验证分析表明回归公式置信区间为0.95。     

规则波作用下近岸透空式结构物的波浪上托力研究

基于对透空码头结构物波浪上托力研究现状的分析,运用垂向二维CFD数值波浪水槽建立模拟规则波作用下水平板波浪上托力的数值模型.通过物理模型和数值模型所获波浪压力结果的对比分析,总结平板底部流场和测点压强的分布特点,探讨不同周期波浪的最大冲击压强随波浪相对超高变化的规律.试验结果表明,规则波作用下波浪上托力的数值模拟结果与...     

斜坡型潜导堤波浪力特性的数值研究

为研究各水位期不同波高作用条件下,斜坡型潜堤所受波浪力的特性,基于某潜导堤工程设计与物理模型资料,采用FLUENT软件建立二维波浪数值水槽,用物理模型试验数据验证模型的可靠性,对不同淹没水深和波高下斜坡型潜导堤所受波浪力进行数值计算,分析波浪力与相对波高、相对淹没水深之间的关系,结合其他形式潜堤波浪力的经验计算公式拟合得出该斜坡型潜导堤堤顶面最大波浪力计算公式。结果表明:波浪力大小受相对波高、相对淹没水深的影响较为显著,其影响机理与波浪场流体运动特征相关;相对于波高的变化,波浪力对淹没水深的变化更为敏感,且波浪力在不同的淹没水深区间和不同的作用位置均呈现出不同的变化规律。     

粘性对方尾船波浪力的影响分析

航行船舶绕射问题的准确求解是预报船舶波浪中运动的基础.文章分别采用基于三维移动脉动源的边界元法和基于RANS方程的CFD方法求解了规则波中航行的方尾船模型的波浪力,并通过与试验结果比较验证了方法的可靠性.CFD计算时通过从波浪力中分离出粘性力,研究了粘性对方尾船波浪力的影响.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.粘性对船模斜浪航行时的横摇力矩有较大影响.     

游艇码头定位桩桩长的确定方法

针对温州瓯江港区浮式游艇码头在接近35 m淤泥质土的地质条件下全直定位桩桩长确定和地基承载能力的问题,采用数值模拟方法,在波浪力和水流力作用下,对不同定位桩长的码头结构进行三维全尺度数值模拟分析和地基承载力校验,得到不同定位桩长的剪力和弯矩的内力分布特征、桩顶最大位移、桩身最大应力随不同桩长变化趋势。再根据定位桩自重和桩侧土极限侧摩阻力标准值确定桩底应力,与地基承载能力进行对比分析。研究表明,对于类似工程,可采用以地基承载力和桩顶位移为主、以桩身应力控制为辅助的控制方法来确定桩长。     

“98·04”寒潮影响下的渤海风浪场数值模拟

基于第3代数值海浪模型SWAN,采用自嵌套的方法提供谱型边界,对渤海"98.04"寒潮大风引起的风浪过程进行了数值模拟研究。将数值模拟结果与T/P卫星高度计观测资料和近岸浮标实测资料(波高和波向)进行了较为详细的比较,并分析了风浪要素的时空分布。结果显示风浪要素的模拟值与实测值吻合良好,表明SWAN模型能较好地再现渤海寒潮期间风浪的时空分布。     

波浪力作用下开孔沉箱码头胸墙开裂原因分析

针对开孔沉箱结构现浇混凝土胸墙开裂问题,采取理论分析、数值模拟、现场测试、原型观测、物理模型试验等手段,得出波浪力作用下开孔沉箱上部现浇混凝土胸墙开裂的原因。建立基于互联网+光纤传感技术的开孔沉箱顶板底部波压力在线监测系统,实时获取不同波浪要素下的顶板底部作用力及分布规律,采用物理模型试验测定开孔沉箱在波浪作用下顶板底部受力特征,验证现场监测数据的合理性,并提出工程优化措施的建议。结果表明,波浪力的作用是本工程胸墙开裂的根本原因,应加强早期的防浪工程措施,以减小波浪力的影响。     

“厂”形板式防波堤消波性能数值模拟

根据水平板形防波堤和倾斜板形防波堤的特点,提出一种“厂”形组合板式防波堤,通过数值模拟方法对防波堤的消波性能进行研究。首先,利用FLUENT软件建立二维规则波数值波浪水槽,并验证水槽应用的有效性。通过模拟得到堤后波高-时间过程线,分析防波堤的透射系数,探讨透射系数随波高、周期、开孔率、相对板宽、波陡、倾斜板与水平板角度、超高等参数的变化关系。结果表明,在模拟范围内防波堤透射系数较小,消波性能优良,特别是对长周期波也有较好的消波效果。研究成果可以为新型防波堤设计提供参考。     

潜式双层水平板型防波堤的数值研究

基于VOF方法建立了波浪与潜式双层水平板型防波堤相互作用的数值模型。数值研究了潜式双层水平板型防波堤的透射系数和波浪力。综合考虑了相对板宽B/L、相对波高H/D、波陡H/L、相对板间距S/D和相对潜深d/D等影响因素,给出了透射系数和波浪力荷载随这些影响因素的变化规律。为了方便工程实际应用,拟合出了透射系数和总竖向波浪力的计算公式。公式计算结果与试验结果进行了对比,二者吻合良好。     

基于浮体Morison方程的半潜式超大型浮式结构波浪力简化计算方法

研究了半潜式超大型浮式结构中移动式海上基地（MOB）在高海况随机波作用下波浪力的简化计算方法。文中基于修正后的浮体Morison方程,经理论推导得出了MOB结构波浪力的计算公式。以MOB结构“三模块模型”为例,研究其在6级海况条件下基于Bretschneider谱模拟的随机不规则波中浪向角变化在0°~90°范围内,各模块的波浪力-历时规律,将本文简化算法的计算结果统计值与势流理论的结果相互对比,并对二者进行误差分析。结果表明：运用本文简化算法得到的MOB波浪力统计结果与势流理论的结果吻合程度高,且二者之间的相对误差在工程允许的范围之内,可充分验证本文方法的正确性、合理性与可行性。本文算法相比于势流理论而言更加简单,建议在结构初步设计阶段运用该方法可高效地评估大量不同工况下MOB结构的波浪荷载,研究成果可为半潜式超大型浮式结构动力响应研究奠定基础。