一种有限体积悬沙输运模型在苏北辐射沙脊群海域的应用

悬沙输运是近岸水域地形演变的重要因素之一,南黄海辐射沙脊群海域悬沙在波浪和潮流的共同作用下有着巨量的输运。文章构建了基于无结构三角形网格的Roe-MUSCL有限体积悬沙输运数值模型,其中心思想是使悬沙浓度求解过程同步且具有高分辨率。基于无结构三角形网格,将每一个独立的三角形单元作为控制个体,分别在各三角形单元上对控制方程进行Gauss线积分离散,采用二阶MUSCL重构格式和Roe型数值通量形式对控制方程进行空间离散,采用一阶向前差分格式的时间离散方法,通过对扩散项的平衡处理,建立了能够适应复杂地形和水动力条件下的高分辨二维有限体积悬沙输运数学模型,并根据当地海域的悬沙浓度实测资料进行数值验证。     

在缓变地形和流共同影响波浪的绕射计算

在波流共存场中利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角以及波浪在随流运动坐标系中的相对频率,然后在利用浅水环流方程求得水流速度场的基础上,运用有限元法求解Kirby(1984)推导的含流的缓坡方程,从而得到在缓交地形和定常流场共同影响下的波浪场的解.     

南黄海辐射沙脊群西洋水道质点示踪数值模拟

基于二维水动力数学模型和现有西洋垂线流速分布公式,运用Lagrange质点示踪法计算分析了南黄海辐射沙脊群北部西洋水域的质点运动轨迹,并与投放到该海域的GPS漂流浮标运动轨迹作比较,计算结果与实测浮标漂流轨迹吻合良好。模拟结果表明,西洋水域的涨潮表层流速最大可达3.5 m/s,落潮流速最大可达2.0 m/s,水质点运动主要沿着主槽方向,当质点运动到潮流沙脊区域,其运动会发生偏移,Lagrange余流方向指向南面。     

非缓坡非均匀流场中多向不规则波传播数学模型的建立

根据线性波动的叠加原理和波浪方向谱理论,在文献[1]的非缓坡非均匀流场的规则波基本方程的基础上,推导出了非缓坡非均匀流场中的多向不规则波传播变形的偏微分方程,并使用有限差分方法建立了数学模型。该模型避开了求解波动势函数的困难,直接求解波动能量的空间分布,可采用简单的有限差分数值方法求解,对空间步长没有限制,适合非缓坡复杂地形及存在流场的情况下大面积波浪场(波高和波向)的计算。     

辐射沙洲海域深水港开发建设水动力泥沙问题研究

综合使用水文泥沙特征分析、卫星遥感分析、冲淤演变分析、潮流泥沙数学模型计算、波浪数学模型(SWAN模型、缓坡方程、多向不规则波Boussinesq方程)计算、波流冲刷物理模型试验、泥沙淤积计算、骤淤计算与分析等多种手段对辐射沙洲中的如东海域深水港开发建设的水动力泥沙问题进行了研究,为深水港开发建设提供了科学依据。研究表明:通过采取必要的工程措施,在辐射沙洲海域中进行深水港开发建设是可行的。     

“韦帕”台风过程中南黄海海域流场研究

台风经过海域时,会造成海面强风以及特殊分布的波浪场,可能引起潮流场的强烈变化。为深入探讨台风过程中流场的变化,研究风应力与辐射应力对潮流场的作用,选用WRF模型、第三代海浪模式SWAN、三维水动力模型FVCOM,针对"0713"号"韦帕"台风期间的台风风场、潮流场、波浪场进行数值模拟。结果表明WRF-SWAN-FVCOM模式能够较好地模拟"韦帕"台风期间南黄海海域流场。波浪和流场受旋转台风影响均出现旋转特性,但与台风旋转风场有一定延迟。与纯潮流场相比,风应力和波浪辐射应力对表层流场产生明显影响,风场影响最为显著,波浪辐射应力使南黄海海域沿岸流发生一定增大。     

辐射沙洲海域深水港开发建设水动力泥沙问题研究

综合使用水文泥沙特征分析、卫星遥感分析、冲淤演变分析、潮流泥沙数学模型计算、波浪数学模型(SWAN模型、缓坡方程、多向不规则波Boussinesq方程)计算、波流冲刷物理模型试验、泥沙淤积计算、骤淤计算与分析等多种手段对辐射沙洲中的如东海域深水港开发建设的水动力泥沙问题进行了研究,为深水港开发建设提供了科学依据.研究表明:通过采取必要的工程措施,在辐射沙洲海域中进行深水港开发建设是可行的.     

自适应网格下的近岸波浪缓坡方程数值模型

在近岸变水深缓坡海域,充分考虑到波浪传播过程中的折射、绕射、反射以及波浪破碎等效应,采用引入破碎项的椭圆型缓坡方程,基于自适应四叉树网格建立了近岸波浪缓坡方程的数值模型,数值模型采用有限体积法求解。该网格可根据计算节点处波长与网格尺寸间的关系自动判定是否进行网格加密划分,使之适应椭圆型缓坡方程每个波长范围内至少布置8个计算节点的特征,提高计算精度的同时又能提高计算效率。采用已有的物理模型试验和实测资料对数值模型进行了验证。结果表明,该模型可以有效地模拟近岸变水深缓坡海域波浪传播。     

小庙洪潮汐通道建港自然条件分析

小庙洪水道位于南黄海辐射沙脊群的南缘,其深槽距岸较近,通航条件较好,具有广阔的开发前景。本文在对小庙洪水道潮汐、潮流、余流、波浪、泥沙等自然条件分析的基础上,根据近期的地形资料,论证了小庙洪水道的滩槽稳定性和演变规律,研究了沿海围垦工程对小庙洪水道动力环境的影响,研究结果表明小庙洪水道具有良好的建设深水港口的自然条件。     

港口海岸工程波浪数学模型综述

对目前常用于港口工程的波浪数学模型进行了回顾和比较。结果表明，Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ模型和缓坡方程模型均可模拟港口海岸较小水域复杂地形条件下的波浪变形。对于港外大范围缓变地形水域，抛物型方程模型传统的折射模型则更可靠。     

黄河三角洲海域的潮汐流动数值模拟

文章将一种有效处理浅水流动计算中的Roe型二阶精度迎风型FVM格式应用到平面二维浅水流动数学模型中.为保证Roe格式的稳定性,应用Ropers格式以解决通量梯度项与源项的平衡问题.为避免源项引起的计算不稳定,对源项采用分步法及半隐式求解.在此基础上,应用该模型对地形复杂的黄河三角洲海域潮汐进行了实际数值模拟.并对其水动...     

Dynamic adaptive finite element analysis of acoustic wave propagation due to underwater explosion for fluid-structure interaction problems

In this paper, an investigation into the propagation of far field explosion waves in water and their effects on nearby structures are carried out. For the far field structure, the motion of the fluid surrounding the structure may be assumed small, allowing linearization of the governing fluid equations. A complete analysis of the problem must involve simultaneous solution of the dynamic response of the structure and the propagation of explosion wave in the surrounding fluid. In this study, a dynamic adaptive finite element procedure is proposed. Its application to the solution of a 2D fluid-structure interaction is investigated in the time domain. The research includes: a) calculation of the far-field scatter wave due to underwater explosion including solution of the time-depended acoustic wave equation, b) fluid-structure interaction analysis using coupled Euler-Lagrangian approach, and c) adaptive finite element procedures employing error estimates, and re-meshing. The temporal mesh adaptation is achieved by local regeneration of the grid using a time-dependent error indicator based on curvature of pressure function. As a result, the overall response is better predicted by a moving mesh than an equivalent uniform mesh. In addition, the cost of computation for large problems is reduced while the accuracy is improved.     

考虑流固耦合问题的水下爆炸声波传播的动态自适应有限元分析（英文）

In this paper, an investigation into the propagation of far field explosion waves in water and their effects on nearby structures are carried out. For the far field structure, the motion of the fluid surrounding the structure may be assumed small, allowing linearization of the governing fluid equations. A complete analysis of the problem must involve simultaneous solution of the dynamic response of the structure and the propagation of explosion wave in the surrounding fluid. In this study, a dynamic adaptive finite element procedure is proposed. Its application to the solution of a 2D fluid-structure interaction is investigated in the time domain. The research includes: a) calculation of the far-field scatter wave due to underwater explosion including solution of the time-depended acoustic wave equation, b) fluid-structure interaction analysis using coupled Euler-Lagrangian approach, and c) adaptive finite element procedures employing error estimates, and re-meshing. The temporal mesh adaptation is achieved by local regeneration of the grid using a time-dependent error indicator based on curvature of pressure function. As a result, the overall response is better predicted by a moving mesh than an equivalent uniform mesh. In addition, the cost of computation for large problems is reduced while the accuracy is improved.     

基于强度折减法的海底边坡三维稳定性分析*

为了分析波浪荷载作用下海底边坡的稳定性,通过Visual C#语言平台开发数值接口程序,实现了地质三维建模程序Gocad和有限元分析程序Abaqus的数据转换,即有限元程序在海底复杂的地貌和地形条件下三维建模。同时开发了Abaqus力学场数据处理程序,可以实现Abaqus在强度折减法下的边坡稳定性分析。通过分析波浪作用下舟山朱家尖岛海域海底边坡稳定性,评判该边坡的稳定性。计算结果表明,波浪荷载对海底边坡稳定性会产生一定的影响,朱家尖岛附近海域海底边坡有滑坡的风险。     

波浪作用下沙纹床面形态及底摩阻系数研究

波浪作用形成的沙纹在近海区域普遍存在,准确预测沙纹床面形态并计算对应的底摩阻系数是研究近岸波浪变形、泥沙输运及岸滩演变的基础。利用国外公开发表的室内试验和现场观测数据对已有计算沙纹形态的典型公式进行分析评价。考虑床面形态与水流条件的互相适应,提出新的平衡状态下沙纹长度、高度及波陡计算公式;引入临界Shields参数判别函数来考虑底床泥沙运动状态对沙纹形态的影响;通过理论推导得到波浪摩阻系数计算公式,并利用沙纹形态计算公式改进粗糙高度的计算方法。结果表明,提出的沙纹形态计算公式能够较好地刻画不同底沙运动状态下沙纹床面几何特征,临界Shields参数对于沙纹形态的计算具有重要影响;新得到的沙纹长度和高度公式可以有效地应用于波浪摩阻系数计算。     

威海船厂港域波高数值计算*

应用能量平衡方程研究近岸随机波的传播变形是一种简单而实用的方法,其在海洋学以及海岸动力学中得到了广泛的应用。采用考虑绕射作用的能量平衡方程作为计算随机波浪传播变形的控制方程,以此建立的数学模型考虑了波浪的浅化、折射、绕射、反射和破碎。利用该模型对威海船厂港内随机波传播变形进行数值模拟,通过数值计算值与试验值的比较,发现在相同的考虑因素下两者是相当吻合的,说明模型在计算近岸随机波的传播变形时是实用而可靠的。     

Wave load computation in direct strength analysis of semi-submersible platform structures

A wave load computation approach in direct strength analysis of semi-submersible platform structures was presented in this paper. Considering the differences in shape of pontoon, column and beam, the combination of accumulative chord length cubic parameter spline theory and analytic method was adopted for generating the wet surface mesh of platform. The hydrodynamic coefficients of platform were calculated by the three-dimensional potential flow theory of the linear hydrodynamic problem for platform with low forward speed. The equation of platform motions was established and solved in frequency domain, and the responses of wave-induced loads on the platform can be obtained. With the interpolation method being utilized, the pressure loads on shell elements for finite element analysis(FEA) were converted from those on the hydrodynamic computation mesh, which pave the basis for FEA with commercial software. A computer program based on this method has been developed ,and a calculation example of semi-submersible platform was illustrated. Analysis results show that this method is a satisfying approach of wave loads computation for this kind of platform.     

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。     

防波堤同步施工条件航道备淤深度预测

针对东营港某港区在防波堤建设和航道疏浚施工同步进行的共同作用下的备淤深度问题,建立工程海域的潮流泥沙数学模型,对该模型进行了波浪、潮流、泥沙及地形冲淤验证。在数学模型的基础上,将施工过程分解为若干节点分别建模计算,并结合施工结束至竣工验收的不同时间分期叠加统计。得到同步施工期间航道的回淤规律并预测备淤深度。该研究为航道工程的顺利实施提供技术支持,也为解决此类问题提供参考。