波浪破碎的一种混合湍流模拟模式

近岸波浪的变形与破碎,一方面影响水体与泥沙运输,另一方面对消波护岸具有指导意义.本文提出一种三维混合湍流模拟模式方法,将求解区域分为造波区、波浪传播区和消波区.造波区采用层流模式,通过基于Fluent的二次开发的UDF方法在边界进行速度造波.这种方法在给定入口速度的条件下,根据已知波高进行精准插值,从而控制水的体积分数.在波浪传播区域,采用大涡模拟进行模拟研究,在消波区,采用RANS模型并利用多孔介质消波法进行消波.模型通过VOF方法捕捉波浪破碎过程中的自由面变化.本文对波高为5.5 cm的规则波(M1)、波高为13.5cm的规则波(M3)、有效波高为7.75cm的TMA谱单向不规则波(U1)和有效波高为19cm的TMA谱多向不规则波(B5)展开了模拟研究,并与前人的相关实验结果作比较,各条件下模拟结果与实验结果吻合.模拟结果说明本文提出的模型能够准确模拟出波浪传播过程中的折射和绕射现象,并且能够捕捉的波浪破碎过程中的自由面变化,为三维波浪的传播与破碎的数值模拟提供一种模拟方法.     

基于VPM-THINC/QQ模型的波浪高保真模拟

为实现波浪传播的高保真数值模拟,采用包含单元均值和点值(volume-average/point-value method,VPM)的有限体积法求解纳维-斯托克斯方程和具有二次曲面性质和高斯积分的双曲正切函数(THINC method with quadratic surface representation and Gaussian quadrature,THINC/QQ)方法来重构自由面,建立以开源求解库OpenFOAM底层函数库为基础的VPM-THINC/QQ模型. 在本模型中添加推板造波法实现波浪的产生功能,采用松弛法实现消波功能,构建高精度黏性流数值波浪水槽. 分别采用VPM-THINC/QQ模型和InterFoam求解器(OpenFOAM软件包中广泛使用的多相流求解器)开展规则波的数值模拟,重点探究网格大小和时间步长等因素对波浪传播过程的影响,定量地分析波高衰减程度;为验证本模型的适应性,对长短波进行模拟. 结果表明,在相同网格大小或时间步长条件下,VPM-THINC/QQ模型的预测结果与参考值吻合较好,波高衰减较少,且无相位差,在波浪传播过程的模拟中呈现出良好的保真性. 本文工作 为波浪传播的模拟研究提供了一种高精度的黏性数值波浪水槽模型.      

基于VPM-THINC/QQ模型的波浪高保真模拟

为实现波浪传播的高保真数值模拟,采用包含单元均值和点值(volume-average/point-value method,VPM)的有限体积法求解纳维-斯托克斯方程和具有二次曲面性质和高斯积分的双曲正切函数(THINC method with quadratic surface representation and Gaussian quadrature,THINC/QQ)方法来重构自由面,建立以开源求解库OpenFOAM底层函数库为基础的VPM-THINC/QQ模型.在本模型中添加推板造波法实现波浪的产生功能,采用松弛法实现消波功能,构建高精度黏性流数值波浪水槽.分别采用VPM-THINC/QQ模型和InterFoam求解器(OpenFOAM软件包中广泛使用的多相流求解器)开展规则波的数值模拟,重点探究网格大小和时间步长等因素对波浪传播过程的影响,定量地分析波高衰减程度;为验证本模型的适应性,对长短波进行模拟.结果表明,在相同网格大小或时间步长条件下,VPM-THINC/QQ模型的预测结果与参考值吻合较好,波高衰减较少,且无相位差,在波浪传播过程的模拟中呈现出良好的保真性.本文工作为波浪传播的模拟研究提供了一种高精度的黏性数值波浪水槽模型.     

水陆两栖飞机波浪水面上降落耐波性数值分析

在规定的气象水文条件下,水陆两栖飞机起飞和降落的能力是决定其性能的重要因素,即耐波性能。采用ALE方法对流体域进行描述,运用基于微幅波理论的动边界数值造波方法模拟了不同波高和不同波长的动态海平面波浪,通过添加质量阻尼的消波方法抑制了固壁边界反射波对造波结果的影响,并采用罚函数耦合方法描述飞机与水体的耦合作用,研究了水陆两栖飞机在不同海情条件下波浪面上降落的纵摇运动、升沉运动以及底部压力等运动学和动力学特性,分析了水陆两栖飞机入水波浪的波长及波高对水陆两栖飞机耐波性能的影响,为飞机结构设计、水上降落操作规则制订及水陆两栖飞机耐波性物理水池试验提供参考。     

水陆两栖飞机波浪水面上降落耐波性数值分析

在规定的气象水文条件下,水陆两栖飞机起飞和降落的能力是决定其性能的重要因素,即耐波性能。采用ALE方法对流体域进行描述,运用基于微幅波理论的动边界数值造波方法模拟了不同波高和不同波长的动态海平面波浪,通过添加质量阻尼的消波方法抑制了固壁边界反射波对造波结果的影响,并采用罚函数耦合方法描述飞机与水体的耦合作用,研究了水陆两栖飞机在不同海情条件下波浪面上降落的纵摇运动、升沉运动以及底部压力等运动学和动力学特性,分析了水陆两栖飞机入水波浪的波长及波高对水陆两栖飞机耐波性能的影响,为飞机结构设计、水上降落操作规则制订及水陆两栖飞机耐波性物理水池试验提供参考。     

孤立波与淹没平板相互作用的三维波面和水动力实验研究

在波浪水池中进行了孤立波作用下有限长度和有限宽度淹没平板的三维模型水池实验. 首次应用多目视觉立体重构技术测量局部三维自由表面变形, 该系统的有效测量水平范围为1.7 m$\times $1.6 m. 用4个三分力测力传感器组成水下测力系统, 在不影响波面的情况下测量孤立波对平板的作用力和力矩. 针对波浪不破碎的情况, 选择0.4 m水深和0.16 m波高的来波条件, 平板淹没深度为0.1 m. 实验结果表明, 孤立波经过淹没平板时自由面有明显的三维变形, 导致孤立波波幅的时空变化. 波幅在平板尾缘中心线处达到最大值, 并沿展向逐渐减小. 利用多目视觉立体重构系统得到的波面变化过程与浪高仪给出定点波面时间序列相互印证, 表明建立标识码波面测量方法是有效的. 孤立波对淹没平板作用的水动力载荷变化分为6个典型阶段, 并与利用波面三维重构得到的波面测量标识码并讨论. 基于多目视觉立体重构技术得到了垂向力和俯仰力矩极值点出现时的三维波面形态. 建立的多目视觉立体重构系统将为海洋工程结构物的水池物理模型实验提供新的波面测量手段.      

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡, 了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提. 基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽, 模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭, 并采用修正的VOF 方法捕捉自由液面, 数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程, 重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性. 结果表明, 建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程, 较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程; 波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流, 其运动过程十分复杂; 掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在, 其中, 气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关, 且其输运轨迹主要受周围流场的影响; 研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系, 发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.      

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡,了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提.基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽,模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭,并采用修正的VOF方法捕捉自由液面,数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程,重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性.结果表明,建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程,较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程;波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流,其运动过程十分复杂;掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在,其中,气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关,且其输运轨迹主要受周围流场的影响;研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系,发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.     

浮泥对非线性波的运动响应简

将浮泥作为高黏度牛顿流体,与水体构成互不相混的两相流体,基于垂向二维RANS 方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes)、SST 湍流模式(shear-stress transport),利用流体体积法(volume of fluid,VOF),结合数值造波、消波技术模拟波浪,建立了波泥耦合运动的数学模型,研究了线性波、Stokes波和椭余波作用下,浮泥界面的运动响应. 发现在各种波浪条件下,界面位移与表面位移间有相近的波形,两者间存在相位差,其值随周期和波高的变化不大;界面波高基本正比于表面波高,它随周期的增长呈单调增大的趋势.     

等波高双孤立波直墙爬高的数值模拟

基于RANS方程、VOF方法以及修正的Goring造波方法建立了模拟活塞式推波板运动的二维数值波浪水槽,实现了双孤立波直墙爬高的数值模拟．利用动边界技术模拟造波机推波板的运动,有效地实现了不同波峰间距双孤立波的造波方法．在验证单孤立波直墙爬高的基础上,模拟了不同相对波高、相对波峰间距的等波高双孤立波的直墙爬高过程,给出了波面、速度场及波动能量的变化规律．数值模拟结果表明：对于等波高的双孤立波,当入射波波高较大及两个波峰间距相对较小时,跟随在后孤立波的爬高放大系数小于先导孤立波的爬高放大系数;双孤立波在直墙爬高过程中,波动场的势能时间过程线呈现三峰形态,其中居中的最大势能峰值出现在第二个孤立波与经直墙反射后反向传播的第一个孤立波完全对撞的时刻．     

A meshless numerical wave tank for simulation of nonlinear irregular waves in shallow water

Time domain simulation of the interaction between offshore structures and irregular waves in shallow water becomes a focus due to significant increase of liquefied natural gas (LNG) terminals. To obtain the time series of irregular waves in shallow water, a numerical wave tank is developed by using the meshless method for simulation of 2D nonlinear irregular waves propagating from deep water to shallow water. Using the fundamental solution of Laplace equation as the radial basis function (RBF) and locating the source points outside the computational domain, the problem of water wave propagation is solved by collocation of boundary points. In order to improve the computation stability, both the incident wave elevation and velocity potential are applied to the wave generation. A sponge damping layer combined with the Sommerfeld radiation condition is used on the radiation boundary. The present model is applied to simulate the propagation of regular and irregular waves. The numerical results are validated by analytical solutions and experimental data and good agreements are observed. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Numerical simulation of pollutant transport acted by wave for a shallow water sea bay

A numerical model of pollutant transport acted by water waves on a shallow‐water mild‐slope beach is established in this study. The numerical model is combined with a wave propagation model, a multiple wave‐breaking model, a wave‐induced current model and a pollutant convection–dispersion model. The wave propagation model is based on the higher‐order approximation of parabolic mild‐slope equation which can be used to simulate the wave refraction, diffraction and breaking in a large area of near‐shore zone combined with the wave‐breaking model. The wave‐induced current model is established using the concept of the radiation stress and considering the effect of bottom resistance caused by waves. The numerical model is verified by laboratory experiment results of regular and irregular waves over two mild beaches with different slopes. The numerical results agree well with experimental results. The numerical model has been applied in the near‐shore zone of Bohai bay in China. It is concluded that pollutant transport parallel to the shoreline due to the action of waves, which will induce serious pollution on the beach. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

滚波演化中聚合过程的数值模拟研究

滚波是一种重力作用下自由液面失稳诱发的水面波动现象, 通常可分为具有相对稳定波形和波速的周期性滚波与波形和波速不断变化的不规则滚波(自然滚波). 不规则滚波的相互作用和发展演化过程十分复杂, 至今对其认识尚不成熟. 本文采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的立面二维数值模型, 对不规则滚波发展过程中的吸收聚合和追赶聚合现象进行了数值模拟研究. 分析了两种聚合模式的演化过程, 给出了滚波聚合过程中完整的波形、波速、速度剖面以及湍流黏性等重要信息. 结果表明滚波的聚合过程是不规则滚波演化和增长的重要机制, 在特定条件下滚波增长由自然增长模式转变为以吸收聚合和追赶聚合为主的增长模式. 滚波聚合过程中, 依次经历后波追赶、爬升、与前波合并、内部流场调制等多个步骤, 最终形成一个具有更大波长和波高的滚波. 本文发现了在3个滚波间距较近的情况下, 会发生二重聚合现象, 即后两个滚波首先聚合, 然后与前波进一步聚合形成一个新的滚波.      

Experimental investigation of Faraday waves of maximum height

The profiles of standing gravity waves of maximum height, parametrically excited on the free surface of a deep fluid in a vertically oscillating rectangular vessel (Faraday waves), are investigated experimentally. For a small modulation index of the excitation parameter, waves of three types are distinguished: regular, temporally periodic and symmetric about the vertical line passing through their crest; irregular but retaining the connectivity of the liquid volume; and breaking waves with drops separating from the free surface of the fluid. It is established that the profile of the maximum-height regular waves is smooth with a steepness of 0.255 and a limiting angle at the crest of less than 80°. Certain realizations of irregular and breaking waves, with profiles similar to those of regular waves but with much smaller steepnesses, 0288 and 0.429, respectively, are detected.     

基于修正光滑粒子流体动力学算法的低能量耗散数值波浪水池开发

目前, 无网格光滑粒子流体动力学SPH粒子法在波浪与结构物相互作用研究方面得到广泛应用, 但该方法模拟波浪远距离传播时, 常常面临严重的能量耗散问题, 导致波高非物理性降低, 给大范围海域、长时间作用下的波-物耦合作用研究带来一定困难. 对此, 本文采用一种核函数修正算法, 在确保粒子间相互作用对称性的同时, 改进压力梯度离散项的计算精度, 设法解决SPH方法中能量非物理性耗散的难题. 相较于前人减缓能量非物理性衰减的方法, 本文的修正SPH算法避免了自由液面搜索等复杂处理过程, 并能保证动量守恒特性. 数值结果中, 采用振荡液滴、规则波、不规则波等算例, 验证本修正SPH算法的准确性和有效性. 结果表明, 该修正SPH算法能准确模拟振荡液滴形态变化, 且动能保持较好守恒性. 通过数值水池与物理水池两者规则波与不规则波结果的对比分析表明, 基于本文修正SPH算法建立的数值波浪水池具有较好的抗能量衰减效果, 能实现长时间、远距离波浪传播的准确模拟. 此外, 本算法能在低光滑长度系数条件下, 实现精确模拟, 将极大缩减三维SPH模拟的时间, 从而节约计算成本.      

Large eddy simulation of vertical turbulent jets under JONSWAP waves

The effect of random waves on vertical plane turbulent jets is studied numerically and the mechanism behind the interaction of the jet and waves is analyzed. The large eddy simulation method is used and the σ-coordinate system is adopted. Turbulence is modeled by a dynamic coherent eddy model. The σ-coordinate transformation is introduced to map the irregular physical domain with a wavy free surface and an uneven bottom onto a regular computational domain. The fractional step method is used to solve the fil...     

Breaking of Faraday waves and jet launch formation

Irregular and breaking Faraday waves are experimentally investigated. Among the irregular waves those with a small depression in the wave crest and periodic triplets are distinguished. In the case of breaking waves the mechanism of jet launch formation on the wave crest is considered. It is experimentally demonstrated that the breaking of standing waves in a rectangular reservoir starts with cavity collapse on the wave crest in process of formation. It is shown that jet launch from the wave crest is preceded by the initiation, development, and collapse of a cavity. A universal power-law dependence governing cavity collapse is obtained. A comparison of the experimental data with an analytical model suggests that cavity initiation is due to the nonlinearity of the waves themselves, namely, the presence of two small disturbances of the free surface traveling counter to one another and forming a cavity. The results obtained underline the importance of the initial stage of wave breaking.     

Reflection of a Dam–Break Wave at a Vertical Wall. Numerical Modeling and Experiment

Results of the experimental study and numerical modeling of the reflection of a dam–break wave at the vertical end wall of a channel are given. A wave forms with distance from a partition creating the initial level difference of the liquid. It is shown that a numerical calculation based on the Zheleznyak—Pelinovskii nonlinear dispersion model satisfactorily describes the height of the splash–up, the amplitude of reflected waves, and the wave velocity in front of the wall for smooth and dam–break waves. It is also shown that, for smooth and weakly breaking (without significant entrainment of air) incoming waves, the experimental values of the height of the splash–up at the wall agree well with relevant experimental and calculated data for solitary waves.