单桩波浪破碎荷载的数值模拟研究

基于开源程序Open FOAM建立了三维波浪破碎数值模型,模型控制方程采用三维不可压缩粘性流体运动RANS方程,应用VOF方法捕捉自由表面,分别运用动量分布源方法、阻尼消波方法实现数值造波和消波,紊流模型选用RNG k-ε模型。利用所建立的三维波浪破碎数值模型模拟了破碎波对单桩结构物的作用力,并与物理模型实验数据进行对比分析。结果证明该模型可以较好地模拟近岸单桩结构物所受破碎波浪荷载。     

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。     

SPH-ALE 方法在数值造波中的应用研究

应用传统的 SPH 方法处理数值造波问题有一定的局限性,波浪在传播过程中由于能量耗散会出现衰减,且粒子压力场存在数值震荡。该文基于 SPH-ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法,提出了一种适用于黎曼解算法的时间积分方法,详细论述了对自由面粒子的捕捉方法。采用 SPH-ALE 方法分别对规则波传播、强非线性波的破碎、孤立波生成及在斜坡上的破碎进行了数值模拟。模拟结果表明,该方法可以有效地解决波浪衰减及压力场不稳定问题,并且可以有效捕捉波浪破碎的瞬时形态。     

陡坡海岸栈桥式码头波浪浮托力计算

针对陡坡海岸栈桥式码头在长周期波和浅水变形工况下的波浪浮托力计算问题，以援萨尔瓦多拉利伯塔德省码头建设项目为例，对于上部结构承受的波浪浮托力采用物理模型试验和国内外相关规范手册的理论计算结果对比分析，结果表明：1）理论公式多适用于行进波，对于长周期的卷破波，很少有适用的理论公式；2）断面物理模型试验考虑了陡坡海岸地形、长周期、波浪浅水变形、波浪破碎等因素，较为贴合实际波况，浮托力试验值相对合理准确；3）波浪浮托力的确定建议综合采用物模试验和理论公式的数值。成果用于水工结构的优化设计，并为以后类似工况的码头设计提供一定的借鉴意义。     

陡坡海岸栈桥式码头波浪浮托力计算

针对陡坡海岸栈桥式码头在长周期波和浅水变形工况下的波浪浮托力计算问题，以援萨尔瓦多拉利伯塔德省码头建设项目为例，对于上部结构承受的波浪浮托力采用物理模型试验和国内外相关规范手册的理论计算结果对比分析，结果表明：1）理论公式多适用于行进波，对于长周期的卷破波，很少有适用的理论公式；2）断面物理模型试验考虑了陡坡海岸地形、长周期、波浪浅水变形、波浪破碎等因素，较为贴合实际波况，浮托力试验值相对合理准确；3）波浪浮托力的确定建议综合采用物模试验和理论公式的数值。成果用于水工结构的优化设计，并为以后类似工况的码头设计提供一定的借鉴意义。     

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。     

波浪与涵洞式直立堤相互作用的数值模拟

为了研究波浪对结构物的作用,采用模拟波浪和结构物相互作用的方法理论建立数学模型。基于N-S方程,采用VOF方法追踪自由表面,通过UDF方法将入射波作为人工的分布源项加入动量方程,建立兼有造波和消波功能的二维数值波浪水槽。在此基础上,对规则波在涵洞式直立堤上的越浪、透浪过程进行了数值模拟,并与物理模型试验结果进行比较。结果表明:数值模拟能够较好地模拟透浪以及越浪过程,同时可以较准确地得到透浪系数。     

基于OpenFOAM的港内波场数值模拟研究*

掌握港内的波高分布特征对港口布局建设意义重大，物理模型制模成本较高、过程较为复杂，相关的数值模拟大多仅考虑了由防波堤口门传播进来的波浪影响，而忽略了越浪作用。针对这些局限性，基于开源软件OpenFOAM，建立环抱形直立式防波堤的三维数值波浪水池，将越浪与不越浪情况下的数值计算结果和物理模型试验结果进行比较，验证数值模型的准确性。结果表明：该模型能够较好地模拟堤顶越浪过程及港内波高分布情况，可用于优化港口布局的进一步研究。     

透空式双排圆筒防波堤消波性能数值模拟研究

双排圆筒防波堤是一种新型透空式防波结构,具有结构形式简单、利于水体交换、生态环境友好等优势,适用于软土地基海域的后方防护。双排圆筒防波堤利用前排桩、后排桩和后排挡浪板形成复杂的波浪掩护作用。为了研究该新型防波堤结构的消波性能,采用开源计算流体力学软件OpenFOAM,建立基于有限体积法和VOF模型的三维数值波浪水槽,开展了不同布置情况工况下的数值模拟。模拟结果表明,双排圆筒的消波性能受到前后排间距、前排圆筒间距等布置参数影响,模拟工况双排圆筒消波率在34%～50%。     

大直径圆筒结构上波浪力的数值模拟与实验研究

以线性波浪绕射理论为基础,通过有限元一无限元耦合求解,数值模拟了海上大型建筑物——大直径圆筒结构上的波浪荷载,该模型适用于任意截面的柱体,并开发了相应的软件。对处于不同位置的大直径圆简在不同工况下的波压强分布及波浪力进行了系统的模型实验研究。基于回归分析,考虑淹没、越浪、波陡、相对水深和相对筒径等的影响,给出了作用在大圆筒上的波浪力和波浪力矩的计算公式,可用于工程实践。     

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...     

不规则波作用于直立式建筑物的统计分布

采用物理模型试验探求不规则波作用下的直立建筑物迎浪面的波谷压力概率分布规律。试验表明,直墙前立波和破碎波两种波浪形态作用下,均可采用韦伯分布来描述波压力概率分布,得出了韦伯分布的形状参数与相对基床高度、基床前肩宽和相对波高有关,并拟合给出经验公式。经可靠性检验表明拟合是合理可靠的。     

波浪作用下桩基承台结构的波浪力计算

针对一桩基承台结构,分别采用理论方法和数值模拟方法计算其在波浪作用下的结构受力,并开展物理模型试验进行对比验证。理论方法分别采用Morison公式计算下部桩基结构受力,绕射理论计算上部承台结构受力;数值模型基于Fluent求解Navier-Stokes方程,通过UDF修改源项来实现造波,建立数值水槽。计算结果表明:因没有考虑上部和下部结构间的相互影响,理论方法计算的结构受力比试验结果稍偏小;而数值模型在计算桩基、承台和整体受力时都取得了很好的计算结果,特别是有波浪在承台上越浪时,也能取得很好的结果。建议在桩基承台结构波浪力计算时使用该方法。     

基于抛物型缓坡方程的波浪数值模型应用研究

在建立了基于抛物型缓坡方程的波浪变形数值预报模型的基础上,计算了波浪破碎前堤后绕射及浅滩上的折射现象。在计算堤后绕射中,采用了堤上薄膜水的方法。为了消除数值计算结果的高频振荡,在方程中引入耗散界面。浅滩折射的数值结果还与Berkhoff的经典试验结果进行了对比。讨论了摩阻系数对波高的影响。为了将模型运用于破碎区,提出了一种波能衰减模型,分别用Sato的水槽试验资料及实际海域破波区波高实测资料对模型进行了验证。上述计算结果表明,所建立的波浪变形数值模型可以用于近岸波浪变形计算中。     

威海船厂港域泊稳试验研究与数值模拟

针对威海船厂搬迁工程进行了港域波高物理模型试验研究。试验表明在2 a一遇波浪条件下大多数泊位满足泊稳要求,个别泊位不满足要求但相差不大。采用MIKE21-BW模型,考虑波浪的反射、绕射、破碎等物理现象建立近岸波浪数学模型,对港域单向不规则波传播变形过程进行数值模拟,将数值计算结果与试验结果进行比较。二者在港池外有效波高最大差值为0.29 m,港池内最大差值为0.1 m,吻合度较高,表明BW模型可用于威海船厂近岸波浪传播变形与泊稳计算。     

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。     

用一种全非线性Boussinesq方程模拟斜坡上的波浪破碎和爬高

基于一种新的二阶全非线性Boussinesq方程,采用预测-校正格式的有限差分法对该方程进行离散,建立了数值模型.模型中通过“狭槽法“来处理波浪在岸线处的动边界条件,采用涡粘模型来模拟波浪破碎引起的能量耗散.为了验证数值模型的适用性,模拟了斜坡地形上的波浪破碎和爬高.从数值结果和试验结果的比较上看,该模型可以很好地模拟近岸波浪场的实际问题.     

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。     

带阻尼板结构的圆筒型平台波浪载荷预报分析

运用三维势流理论和Morison公式相结合的数值计算方法分析筒型平台的运动响应和波浪载荷特点,采用Morison公式计算平台舭部阻尼板结构的波浪力;对于大尺度结构,波浪载荷采用线性绕射理论进行计算,分析表明,该圆筒型海洋平台的波浪力和运动响应计算结果可直接用于结构设计.     

一种适用于陡波条件下研究半潜平台周围波浪非线性爬升效应的计算方法

陡波条件下波浪沿柱体的非线性爬升效应一直是水动力学研究的热点问题,并成为半潜平台气隙预报的一个重要方面.文章基于N-S方程和连续性方程建立了三维数值波浪水槽,采用类似于深水试验池的摇板造波方式生成波浪.详细研究了多种网格划分形式,并与试验测量值进行对比,确定了最优的网格划分方案,同时保证了数值方法的可行性.随后,在该数值水槽内对半潜平台周围波浪爬升效应进行了数值模拟.整个流域采用分块耦合网格划分技术,全部生成六面体结构化网格,提高了迭代运算的速度和求解的精度,并可捕捉到更为光顺的自由液面.结果表明,该方法能够对平台周围的波面分布进行详细的数值模拟,并预报出波浪非线性较强的区域,为模型试验前确定浪高仪的安装位置提供了重要依据.计算得到的波面分布和模型试验相似,进一步证明了该数值方法模拟波浪绕射和爬升等现象是可行的.此外,文中还从物理现象上模拟并分析了波浪沿立柱的绕射和爬升过程,可为今后进一步研究波物之间的非线性相互作用提供参考.