基于条件模拟理论的波浪数值模拟

在实验室进行波浪模拟时,有时需要产生既满足某一特定波谱又包含了某一特殊短波列的随机波浪。这往往需要进行大量的波浪模拟,从许多随机波列中进行逐波分析来寻找满足此条件的波浪,费时费力。文章基于Borgman的条件模拟波浪理论,建立了可实现将一特定短波列嵌入满足特定波谱的随机波列中的数值模拟方法。通过加入白噪声的方式,解决了计算中因病态矩阵导致的数值不稳定问题。嵌入不同参数规则波和聚焦波模拟结果表明,嵌入点、嵌入波列的波高和长度的变化对模拟波浪特征影响不大,但是如果嵌入波列的波高较大,嵌入波列后的波浪的最大波高会增大,而嵌入波列与初始随机波列的特征周期应相差不大。     

大连港太平湾港区波浪物理模型研究

通过波浪整体物理模型试验,对大连港太平湾港区起步工程港内波况和码头上水情况进行测定,并根据试验结果对平面布置进行优化。设计方案在W向波浪作用下,迎浪侧波浪直接穿过进港航道边坡进入港内,波浪在直立码头间发生来回反射,港内波高较大。设计方案在WSW向波浪作用下,迎浪侧航道边坡对波浪的折射现象较W向明显,港内波浪的多次反射现象与W向时基本一致。优化方案一将迎浪侧进港航道边坡开挖,波浪折射到港外,港内波高减小。优化方案二北侧防波堤延长至874 m,对港内的掩护优于优化方案一。优化方案三在优化方案一的基础上,将东侧码头外端1 km码头型式改为高桩码头,在高水位时桩式结构的反射效果未得到充分发挥,低水位时反射效果略明显。     

风暴潮与波浪动态耦合三维港池模拟研究*

风暴潮是发生在海洋沿岸的一种严重的自然灾害,通常会伴有大浪,二者的耦合作用极大地威胁着沿岸地区的安全。以往对近岸承灾体海洋动力灾害的研究大多集中于单一致灾因子的影响,多采用恒定水位和定常波浪要素,对风暴潮与波浪耦合效应及其对海堤承灾体动力响应的研究不足。采用9711号台风在宁波北仑海域引起的风暴潮潮位及波浪过程,通过将连续的风暴潮水位变化过程与波浪过程进行叠加,模拟真实的动态潮位过程,在三维港池实验室中实现风暴潮和波浪的动态耦合模拟,为相关模型试验的开展提供参考。     

高桩码头上部结构波浪力物理模型试验研究

在不同水位、相同波浪要素组合条件下进行波浪对码头上部结构作用力的模型试验研究,得到上部结构所受最大波浪水平力、最大波浪上托力、最大波浪水平力对应的波浪上托力以及最大波浪上托力对应的波浪水平力,分析最大波浪水平力和最大波浪上托力之间的相位差;并对最大波浪上托力和理论值进行分析比较。试验结果表明:随着水位的增高,作用在码头上部结构的波浪力先增大后减小,在设计高水位时,码头上部结构受到的波浪力最大;最大波浪上托力和最大波浪水平力并不同时出现,存在相位差。     

复杂地形条件下波浪爬坡数值模拟研究

波浪爬高是确定海堤、护岸等海岸工程顶高程的主要因素,不仅直接影响工程造价,更关系到工程的安全。目前,针对单一型缓坡以及坡度较陡的防波堤的研究较多,但兼顾各种复杂地形条件下的波浪爬坡还没有一种公认较好的计算模型。文中首次采用MIKE21一维BW模型,分别通过规则波和不规则波对波浪破碎以及波浪爬坡进行了数物模验证。结果表明,应用MIKE21一维BW模型不仅能模拟在缓坡上的波浪破碎及爬坡过程,也能模拟诸如防波堤等陡坡的波浪爬高现象。将该模型应用于海南昌江核电护岸工程,为其安全性设计提供了科学依据,同时也为复杂地形条件下的波浪爬坡问题提供了一种切实可行、易于推广的研究方法。     

关于水质物理模型试验的讨论

<正> 一、概述研究河流中污染物的输运问题,除进行原体观测外,还可以借助水质模型进行模拟试验,如物理模型试验、数学模型试验等。近年来水质数学模型发展迅速,水质物理模型因其本身的优点也得到了一定范围的应用。数学模型模拟速度快,可同时考察多因素的影响,但其模型机理及参数识别又往往需要依靠物理模型才能确定。有时水质物理模型试验还可以在已有的河工物理模型的基础上进行,因此在一定的条件下,水质物理模型试验仍不失为一种较好的研究途径。     

《曹妃甸煤码头起步工程波浪物理模型试验》通过验收

2006年7月21日，国投曹妃甸港口有限公司在天津塘沾主持召开了《曹妃甸煤码头起步工程波浪物理模型试验》成果验收会。来自中交第一航务工程勘察设计院、中交水运规划设计院、南京水利科学研究院、河海大学等单位的专家参加了。该专家认为：由交通部天津水运工程科研所主持完成的物理模型试验，在模型设计、制作和试验方法等方面均满足交通部颁发的《波浪模型试验规程》（JTJ／T234—2001）所规定的要求，试验设备先进、数据完整、资料齐全、结论明确、成果可信，完成了委托方和设计单位提出的各项任务。     

越南茶荣沿海港口波浪三维整体物理模型稳定性研究

三维波浪整体物理模型试验已广泛运用于防波堤工程实践中。三维整体物模试验较传统的波浪断面物理模型而言,对于波浪与结构物的作用有着更加完备的刻画。三维随机波浪整体物理模型试验可量化波浪的浅水变形、折绕射、越浪量及海工结构物三维稳定性。以越南茶荣沿海港口防波堤工程为例,利用1：34.3三维整体波浪物理模型,针对不同波向及重现期波浪条件下防波堤堤头、堤身三维稳定性与防波堤越浪量进行测试研究。试验结果表明：1)防波堤头堤石为5 t、主干为3.5 t时结构布置可靠稳定。2)仅在极端高水位和设计高水位部分组次发生少量越浪或者溅浪。     

复杂水域波浪物理模型与数学模型对比研究

基于MIKE21-BW模块,采用多种概化处理模型,研究了烟台港某工程港内波高分布和波浪传播状况。通过与物理模型进行对比,分析了各概化模型的优缺点,选择较优方案。结果表明:对于整个港池波高分布情况,各方案数学模型模拟结果和物理模型试验结果基本吻合,均能较好反映波高分布趋势及一些较复杂波浪传播变形现象。但其中存在多种波浪组合,同时包括波浪折射、反射、绕射、破碎、爬坡且反射波占主导地位的局部水域,数学模型模拟的波高数值都与物理模型结果相去甚远,说明MIKE21-BW仍不能很好模拟此类复杂波况水域。     

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究II:不规则波

为研究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,通过几何比尺为1?50的物理模型试验开展了不规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射有效波高、相对板长、平台净空高度和平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明,平台在不规则波作用下的砰击压强及砰击压力极值具有随机性,经过傅里叶变换,其作用周期与波浪周期一致,并存在明显的高阶成分;5个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小,即长波引起的砰击力较大,短波造成的砰击力较小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,给出不规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力有效值的计算表达式,可快速得到平台受到的波浪砰击力,并分析了规则波和不规则波引起砰击力的关系。     

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。     

BW模型在掩护水域内波浪计算中的应用

采用MIKE21-BW模型分别对平底地形下单突堤的波浪绕射以及实际地形下某港港内波浪场进行模拟及验证,将模拟结果与规范中的计算图解及物模试验结果进行对比分析,吻合良好。同时研究发现,由于该模型数值格式的限制,在波浪斜向入射的情况下,模型的计算结果存在较为明显的误差,而经过地形逆向旋转处理,将波浪入射方向调整为正向入射的方法可以较好地改善模型的计算结果。另外,在某港实际地形下的波浪模拟中,还探讨了谱峰因子γ的变化对该港港内波浪场的影响。     

系泊船舶试验中风荷载的模拟

基于大型LNG船舶系泊物理模型试验,对2种试验室风荷载模拟实现技术（风机法与挂重法）进行分析与对 比。由风压力试验结果得出“风机法模拟风荷载结果与多个常用经验公式计算结果相差不大”的结论。风浪联合作用下的 船舶系泊模型试验结果表明:单纯风工况下2种方法测得的系缆力有所差异,但叠加波浪荷载后这种差异变小且不同位置缆绳 受力分配状况也有所改善。对上述结论及其形成原因进行与探讨,为船舶系泊物理模型试验中风荷载的合理模拟提供借鉴。     

三亚南山港波浪数模与物模试验对比研究

通过物理模型和数学模型两种研究手段,对三亚南山港工程平面方案码头前沿、护岸波高分布以及航道对波浪折射影响进行对比研究,对码头前沿波峰面高程和上水情况进行了分析。通过对比研究得到的物模结果和数模结果比较吻合。     

内模控制及逆系统算法在船舶运动控制中的仿真研究

针对船舶运动中多变量耦合、非线性、滞后、限幅、绿色控制等控制问题,提出运用基于逆系统方法的内模控制方法。该方法采用逆系统方法原理将船舶的非线性模型变换成伪线性模型,对伪线性模型进行内模控制。同时提出内模控制与其他控制策略相结合例如PID控制相结合的控制方法以期提升内模控制的控制效果。仿真结果表明,内模控制具有良好的控制效果,而且精度高,鲁棒性好,同时参数调节简单方便。     

内模控制及逆系统算法在船舶运动控制中的仿真研究

针对船舶运动中多变量耦合、非线性、滞后、限幅、绿色控制等控制问题,提出运用基于逆系统方法的内模控制方法。该方法采用逆系统方法原理将船舶的非线性模型变换成伪线性模型,对伪线性模型进行内模控制。同时提出内模控制与其他控制策略相结合例如 PID 控制相结合的控制方法以期提升内模控制的控制效果。仿真结果表明,内模控制具有良好的控制效果,而且精度高,鲁棒性好,同时参数调节简单方便。     

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。     

潍坊滨海水城人工沙滩防护工程效果物理模型试验研究

文章针对潍坊滨海旅游度假区人工沙滩防护工程进行研究,分析了工程海域自然条件和沙滩侵蚀成因,对滩沙水力特性进行了实验研究,最后通过波浪泥沙整体物理模型试验手段,分析了丁坝防护工程建设后的整治效果。其主要结论如下:潍坊滨海旅游度假区人工沙滩侵蚀的破坏性动力来自NE向波浪的持续向西输沙;正常天气下人工沙滩年损失量约为2万m~3,在极端高水位下如遭遇10 a一遇大浪作用24 h条件下,沙滩损失量为1.2万m~3,人工沙滩年损失量约为7.7万m~3;优化方案实施后,防护工程实施1 a后,人工沙滩年损失量约为6.4万m~3,约占总铺砂量的6%;且抑制东湾内泥沙在风暴潮增水作用下向西湾输送,达到了优化目的。     

不规则波中二阶辐射问题时域数值模拟

能够有效地模拟不规则波中非线性的波物相互作用是深海工程领域一直关心的热点问题,因此有必要采用时域理论对不规则波中非线性的波物相互作用进行研究和分析。对自由面和物面条件进行Taylor 级数和Stokes摄动展开得到一阶和二阶边值问题。使用基于Rankine源的边界元法计算每一时刻的流场,并在自由面上采用积分格式的自由面条件;在远方控制面上采用多次透射边界条件以及其耦合阻尼区的边界条件;对做不规则垂荡运动的截断圆柱所受到的水动力进行了时域数值模拟。结果表明：文中方法可以用于时域研究不规则波中的二阶问题,在人工边界处达到无反射的效果。