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。     

大比尺水槽波浪-防波堤-地基相互作用试验方法初探

依托交通运输部建设科技项目,拟在水槽中进行波浪-结构物-软粘土地基相互作用的试验,由于软粘土地基的制备耗费大量的人力、物力和时间,大水槽的建模和试验成本远远大于小水槽,受项目工期、试验场地和试验费用的制约软粘土地基试验可重复性较差,由于缺乏在大水槽中进行类似试验的经验,故先在已有沙地基上进行预备试验。文章针对已在大比尺波浪水槽中开展的波浪-半圆型防波堤-沙地基相互作用的试验,从模型的设计与半圆型沉箱的制作、土压和孔压传感器的布置和钻孔埋设技术、半圆体沉箱的吊装技术以及试验过程中出现的问题和注意事项进行了说明,从而为大比尺波浪水槽中进行波浪-结构物-地基相互作用提供了一套合理可行的试验技术。     

基于DualSPHysics的数值波浪水槽研究

为更好地研究强非线性波浪问题(波浪翻卷、破碎及其与结构物相互作用等),基于DualSPHysics开源平台进行二次开发,采用SPH方法建立了二维数值波浪水槽。运用强制修正粒子加速度的方法实现阻尼消波功能,通过监测推波板前水位变化并实时修正造波信号实现了主动式消波功能,并对消波模块的阻尼消波性能和主动式消波性能进行了详细测试。结果表明,新型阻尼消波层的长度控制在1~2/3倍波长内即可形成可靠的开放式边界,主动式消波功能可将70%以上的能量反射波吸收。     

波浪生成研究和实验教学用水槽系统设计

针对波浪生成研究和波浪生成实验教学需要,基于摇板式造波机生波技术设计一种波浪生成研究和教学用水槽系统。利用该水槽系统进行规则波生成实验、不规则波生成实验、规则波重复性实验,结果表明,此水槽系统满足实验研究和教学需要。     

数值波浪水槽在半圆堤波浪力计算中的应用

以N-S方程为控制方程,以k-ε模型为紊动封闭模型,采用VOF方法重构自由表面,建立了垂向二维数值波浪水槽。模拟了规则波与半圆堤的作用过程,结果表明,单点数模波压力过程与物模实测结果符合良好。研究中发现,数模计算中若堤后计算区域设置过短,堤上越浪可以引起堤后水量累积和水位上升现象,从而造成堤身背浪面压强总体增大,由此算得的防波堤总水平波浪力最大值偏小16%~20%。提出了将堤后计算区域延长到4~5倍波长的办法,计算结果表明,堤身背浪面压强上升及堤身总水平力下降现象基本消失。     

三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,采用满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法追踪流体自由表面,离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播,为今后研究非线性波浪对船舶等非规则物体的作用提供了参考.     

三维波浪水槽内孤立波特性研究

内波发生破碎时,其上下水体发生掺混,通过研究混合层的厚度,可以反映内波在传播过程中能量的变化。建立物理、数值波浪水槽,研究内孤立波的一系列特性。基于FLUENT软件,探究内波在不同斜坡角度上破碎的混合层厚度变化。成功地将内孤立波的数值造波结果与KdV理论解、物理实验数据比较。为今后研究内孤立波破碎引起水体掺混、改善水体水生态环境提供了有力的方法和手段。     

规则波作用下珊瑚礁直立式护岸波浪力大比尺模型实验研究

基于大比尺波浪水槽试验,采用弗劳德相似准则,按照1:15的模型比尺,开展了规则波作用下珊瑚礁地形上的波浪和直立式护岸的相互作用的研究,在不同水深和波浪条件下,测量了直立式护岸所受压强,并与规范值进行对比。实验结果表明实验测量值明显大于规范计算值;直立式护岸所受压强值与入射波波高和礁坪水深正相关,随护岸距礁缘距离增大而减小。通过将时均水深、增水、护岸距礁缘的距离无量纲化跟无量纲压强进行分析,得出结果表明当礁坪上水深足够深、护岸距礁缘距离小于0.5倍的波长的时候,所受压强只和入射波高有关;而波浪在礁坪上的增水越高,直立式护岸所受到的压强越大。因此综合考虑了周期、礁坪水深、增水和距离,拟合出基于该实验中筑堤珊瑚礁地形的直立式护岸波浪力估算公式,拟合公式计算精度高于现有规范公式。     

岛礁陡坡地形上波浪破碎试验研究

通过波浪水槽系列模型试验对岛礁地形上的波浪破碎位置进行试验研究。试验中将岛礁地形概化为向海陡坡与水平平台相连接的模型,研究3种陡坡(1∶1. 5、1∶3和1∶5)、3种相对水深(0. 1、0. 17和0. 24)下的波浪破碎位置。结果表明,波浪相对破碎位置与Irribarren数、礁坪相对水深以及前坡坡度有关,且随Irribarren数和相对水深的增大而向岸侧移动,随坡度的变陡而向海侧移动。同时,也给出了波浪破碎位置计算方法。     

四面六边透水框架护滩结构效果水槽试验研究

通过水槽试验,研究四面六边透水框架护滩结构效果.试验结果表明,实施四面六边透水框架防护后,河底流速有明显减小,四面六边透水框架具有透水、消能、减小近底流速、局部改善水流流态的作用,从而有可能将近底流速降至不冲流速以下,甚至于使河床产生淤积.与传统护滩工程相比,四面六边透水框架能有效地避免实体护岸工程基础容易被淘刷而影响自身稳定问题,且适应河床地形变化能力强,不需要地基处理,不需要护底,直接抛投于床面,自身稳定,施工简单,成本低,是一种值得大力推广的新技术.     

不同因素对潜堤波浪传播的影响

针对波浪穿过梯形潜堤时的波浪形态沿程变化问题,以梯形潜堤为研究对象,通过二维水槽试验,研究梯形潜堤上规则波的传播特征。以比波高为参数分析不同波浪要素(波高、周期和水深等)对波浪传播变形的影响。试验结果表明,其他条件不变时,入射波高越大、波浪周期越小、堤顶淹没水深越小时,波高在潜堤上方衰减越明显。在有足够水深,且波高较小时,波浪对潜堤均有良好的穿透性;波高较大时,波浪在潜堤上部发生破碎,波浪穿过潜堤后波高衰减,此时潜堤的消波作用明显;在波浪不发生破碎情况下,较长周期波浪在潜堤顶部比波高增大,且出现双峰值。     

人工航道对波浪传播规律的影响

波浪在传播过程中,遇到建筑物和地形变化时,会发生绕射与折射,对波浪的传播、变形具有显著的影响。作者建立了基于Boussinesq方程的波浪数学模型。采用所建立的数学模型对双突堤条件下有、无航道时港内的波浪分布分别进行了数值计算,并将上述两种条件下的波浪分布情况进行了比较。结果表明,开挖航道对波浪的传播变形影响较大,不能用纯绕射来代替波浪的折、绕射联合作用。     

半透空沉箱式防波堤的消波性能试验研究

提出一种新型防波堤——半透空沉箱式防波堤。在玻璃水槽中进行系列水工模型试验,量测在不同波高、周期波浪作用下,半透空沉箱防波堤前后的波浪特征参数,分析半透空沉箱防波堤对不同特征波浪的反射率,波浪周期与波浪尖锐度之关系。探讨该防波堤结构的消波原理与性能,根据试验分析结果,选出最优的透空率及内置斜坡坡度,试验结论可为开敞式港区码头的防波消波方案设计与规划提供一种新思路。     

基于Boussinesq模型的刚性植被水域波浪传播特性数值分析

通过在Boussinesq水波模型中引入拖曳应力项来考虑植被对波浪的衰减作用,建立了波浪在近岸刚性植被水域传播运动的数值模型。在对模型进行验证的基础上,模拟分析了植被特征参数与入射波要素对波浪传播运动的影响。数值模拟结果表明,波浪在近岸植被区传播时,随着植被密度和植被淹没高度的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大;随着入射波高的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大。     

满足自由水面的水槽格林函数的研究

研究满足自由水面的水槽格林函数的两种数值计算方法,一是Linton提出的快速收敛数值计算算法,二是对John提出的开阔海域中格林函数关于水槽两侧壁作镜像的数值计算方法。研究表明,Linton提出的快速收敛数值计算算法在特定情况下不适用,因此建议采用镜像格林函数来计算常水深和常宽度水槽中波浪对结构的作用问题。     

大连海上机场人工岛越浪量物模试验

通过分析大连海上机场人工岛水域的波浪要素,采用JONSWAP谱,以不同波浪入射方向对人工岛挡浪墙越浪量开展物模试验。试验表明,对于设计给出的挡浪墙断面,在极端高水位、波浪重现期为100 a和200 a的情况下,各方向挡浪墙的越浪量可以满足设计要求。越浪量物模试验的结果为人工岛护岸结构的优化提供了科学依据。