基于改进型Boussinesq方程的二维波浪数值模型

基于改进型Boussinesq方程，在非交错网格下，建立了二维波浪数值模型。模型计算采用了有限差分法，时间格式上采用混合四阶Adams—Bashforth—Mouhon，空间格式上采用了Wei等（1995）给出的格式。数值计算中。采用了内部造渡技术。数值模拟针对3纽经典浅滩地形上波浪传播变形的实验进行，数值计算结果与实验结果吻合较好。验证了数值模型，该模型可期望用于实际港口渡浪预报。     

斜向和多向不规则波作用于直墙堤上的波浪荷载

基于三维波浪物理模型实验研究的结果，参照国内外已有的研究成果，探讨了波浪斜向性和多向性对不规则波作用于直墙堤上波浪荷载的影响，表明波浪是否在堤前破碎其影响波浪荷载的规律是不同的。建议了斜向和多向不规则波作用于直墙堤上波浪荷载的实用计算方法。     

潜体波浪中近水面不同潜深和航向时运动和波浪力计算

本文对潜水细长体波浪中近水面运动和波浪力的计算，采用STF理论和Frank源分布紧密拟合方法预报波频运动和波浪力响应；采用Newman细长体方法和3－D修正处理计算垂直面低速潜体的二阶平均波浪与与力矩。该方法和计算程序的实用性和可靠性已经被多次模型结果比较，验证所证实。本文以某一国外典型潜艇为例，计算了七种潜深，七种相浪向下艇体的近水面波频运动响应与波浪力响应，给出了几种运动与波浪力参数变化与浪向变化的计算实例，同时还给出采用线性叠加原理得出的波频运动与波浪力时域历程曲线实例。     

斜坡护面上波浪打击压力的试验研究

本文在试验研究的基础上埋式圆形探讨了在一定水深条件下，不同波陡Ｈ／Ｌ＝１／１０～１／２０，边坡坡度ｍ＝２～５，对波浪打击压力的影响，其实验值与苏联ＣＨИПⅡ－５７－７５规范，苏联向金公式计算值进行了比较，经过分析后，提出了波浪最大打击压力的位置ｄｐｍａｘ，作用区域ｄ，以及拟合了波浪打击压力最大值包络图的经验表达ｐｍａｘ／γＨ，本文的计算方法可供实际工程参考应用。     

斜向和多向不规则波作用于直墙堤上的波浪荷载

基于三维波浪物理模型实验研究的结果,参照国内外已有的研究成果,探讨了波浪斜向性和多向性对不规则波作用于直墙堤上波浪荷载的影响,表明波浪是否在堤前破碎其影响波浪荷载的规律是不同的.建议了斜向和多向不规则波作用于直墙堤上波浪荷栽的实用计算方法.     

非线性波浪水槽内波浪的产生和传播

文章在波浪水槽内通过数值模拟和物理实验相结合的方式,研究了波浪的产生和传播问题。在高阶谱计算模型中引入数值造波边界条件,建立了非周期谱波浪水槽。基于该水槽研究了具有不同波要素波浪的产生和传播问题,通过与理论解的比较验证了数值结果的正确性。结果表明线性波浪理论可预测具有较小Ursell数波浪的传播,而随着Ursell数的增大,波浪的运动可用二阶波浪理论解来描述。最后通过数值模拟结果和实验结果比较,验证了数值水槽的有效性,分析表明,波面升高及其对应振幅谱的计算结果与实验数据吻合较好。     

甲板上浪2D数值模拟与试验研究

基于VOF法,采用动边界造波,对规则波中的浮体甲板上浪进行了2D数值模拟.得到了在不同倾角下甲板上浪的波形时历.基于PIV和浪高仪测试技术,在波浪水槽中对浮体在规则波中的甲板上浪进行了试验,得到了上浪水在甲板上的水位高度及波浪沿船首爬行、变形、破碎的过程.计算结果与试验结果进行了对比,验证了数值计算的可行性.     

防波堤—码头结构的波压力试验研究

通过试验。对防波堤－码头结构的波压力进行研究。比较了不同堤顶宽度时波压力的变化。并根据试验得出了相对波浪传播距离ｂ／Ｌ和波压力折减系数Ｋ的经验曲线，可供类似的防波堤－码头结构的波压力计算参考。     

基于双层Boussinesq方程的聚焦波数值模型

基于高精度双层Boussinesq方程,建立了聚焦波的时域波浪数值水槽。时间积分采用混合4阶Adams-BashforthMoulton预报-校正格式,聚焦波生成则采用累加不同频率规则波的内部造波源项法。针对Baldock等的聚焦波试验进行数值计算,计算结果与试验数据吻合较好。利用验证后模型进一步考察了非线性对数值计算聚焦波的影响,其中考虑了强非线性、弱非线性以及线性3种情况,结果表明非线性对精确模拟聚焦波至关重要,强非线性模型给出的结果最好,弱非线性次之,线性最差。     

用SWAN模型模拟近岸波破碎

用SWAN波浪模型模拟了波谱在近岸区的演化。在SWAN模型中用“文氏谱”作为输入谱进行数值造波,模拟了不规则波的破碎过程。通过与实验结果和其它波浪模型的计算结果的对比说明,利用“文氏谱”,SWAN模型能够正确地模拟近岸海域不规则波浪的破碎过程。     

一种波浪增减水的数值研究方法

本文基于Boussinesq方程提出一种计算波浪辐射应力的方法。将模型应用于规则波破碎波浪的物理模型实验,从均方根波高、波浪辐射应力以及波浪增减水三个方面对比模拟结果与实验结果,验证模型的可靠性和实用性。     

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。     

削角直立式防波堤波浪力的试验研究

为了研究削角直立式防波堤上波浪力的分布规律，寻求适合于削角直立堤的波浪力计算公式，通过对削角沉箱防波堤的不规则波物理模型试验，得到了作用在防波堤上的水平波浪力、削角斜面上的竖向力以及堤底面上的浮托力系列，经与合田良实直立堤波浪力计算公式对比，表明作用在防波堤迎浪面的波压力分布与合田方法相近。根据分析检验，提出了相应的水平波浪力、斜面竖向波浪力以及堤底浮托力的不确定系数，并建议对斜面竖向波浪力的计算值进行适当调整。     

《三维破碎波波浪数学模型研究与应用》达到国际先进水平

2006年12月26日交通部科教司在天津主持召开了交通部应用基础项目《三维破碎波波浪数学模型研究与应用》成果鉴定会。鉴定专家委员会的鉴定意见认为：由交通部天津水运工程科学研究所完成的该项研究成果具有创新性，总体上达到国际先进水平。该项目主要研究成果和创新点为：（1）提出了三维破碎波浪与任意形状建筑物相互作用的基本理论，采用交错网格技术、两步映射法、部分单元法和曲面组合法等数值计算技术和方法，成功地建立了三维破碎波浪数学模型。（2）提出了二相流概念在波浪模拟中Heaviside函数的新形式。采用该方法计算的压力分布场满足理论分布，保证了在波浪运动模拟中能得到精确的压力值，避免数值震荡、确保计算结果的精确可靠，具有创新意义。（3）模型建立了在二相流概念下的小振幅波、斯托克斯波、椭圆余弦波、孤立波和线性不规则波的造波方法；并采用相应波浪理论进行了验证。采用水体在方箱中震荡和波浪与大直径圆筒作用的理论解及波浪越潜堤的试验结果分别对模型进行了验证，结果表明模型有很好的质量和能量守恒性；模拟的波浪与理论解相当吻合，该模型能够很好地反映波浪的反射、绕射和非线性变形等特性。（4）采用卷破波和崩破波与直立圆筒作用的两组物理模型试验对该模型破碎波情况进行验证，分析了破碎波与直立圆筒作用的压力分布和流场分布，数值模拟和物理模型的波高分布和压力分布基本一致。进一步证明了模型的科学性和合理性，并为工程应用奠定了可靠的基础。     

应用VOF方法分析波浪与透空式码头的作用

应用VOF(Volume of Fluid Method)的二维数值波浪水槽模型,计算了某工程透空式高桩码头的透浪系数,并与实验结果及Wiegel,Kriebel公式计算结果进行了比较,为减小造波边界的二次反射影响,在数值波浪水槽左端设置了可吸收式造波机数值边界条件,数模得到的透空码头的透浪系数与实验结果吻合较好,与Wiegel、Kriebel等学者的理论公式计算结果一致.     

波浪作用下单体网格式浮架受力的数值模拟

模型试验表明重力式网箱在波浪作用下，单纯浮架的受力贡献比例较大。本文运用波浪理论，通过建立浮架、锚绳及浮子的运动方程，采用五阶龙格-库塔进行数值求解，得到了单体网格式锚碇单纯浮架的数值计算模式。将计算模型简化为四点锚碇，并将计算结果与实验结果进行了比较，二者符合程度较好。在此基础上，比较了单体网格式锚碇与四点锚碇单纯浮架的受力，结果表明网格式锚碇方式浮架受力较小。     

基于二阶Stokes波理论的随机波浪力谱表示法研究

目前,采用随机性分析方法计算不规则波对海洋结构物作用时一般均采用Airy波理论,并未考虑波浪非线性的影响。本文基于二阶Stokes非线性波浪理论探讨了采用非线性波浪理论时随机波浪力谱的计算方法,并用一典型算例,对本文公式的计算结果与线性波理论的计算结果进行比较。计算结果表明,在水深较深时不能忽略波浪非线性的影响。     

卷破波冲击下透空式面板受力特性数值模拟

卷破波是近海环境中常见的破碎波浪，对近海结构物具有较大的破坏性。基于CFD软件FLOW-3D建立二维波浪水槽，对比5种形态的卷破波冲击下透空式面板的受力特性和波浪爬高情况，并讨论了面板相对净空高度、相对水深和迎浪面倾角的影响。研究表明：5个形态的卷破波中，P2形态卷破波的水平波浪力最大，P3形态卷破波的爬高最显著，P1至P3形态卷破波的竖向波浪力趋于相等；面板相对净空高度、相对水深和迎浪面倾角对卷破波冲击作用力和爬高有较大影响，相对净空高度的增大能有效削减卷破波冲击力和爬高，而相对水深的增加将导致透空式面板受到的卷破波水平、竖向波浪力和波浪爬高增大；随着迎浪面倾角从0°增大到60°,波浪爬高逐渐减小，卷破波作用力先增大后减小，P1形态卷破波的水平、竖向波浪力的变化幅度最大，P4形态卷破波的竖向波浪力减小幅度最大，P3形态卷破波的爬高减小最显著。     

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。     

不规则波作用下波浪爬高计算方法

通过物理模型试验,研究了不规则波作用下光滑不透水单坡和复坡上的波浪爬高,分析了主要影响因素波陡、坡度、波浪入射角、平台宽度和高程对波浪爬高的影响规律,得到了海堤结构波浪爬高的计算公式及其不同累积率换算关系,并提出了多级平台海堤断面波浪爬高计算方法,可适用于复杂海堤断面的爬高计算,与40多个实际工程的模型试验结果对比,具有较好的计算精度,可供工程设计参考。