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．     

非周期波浪与直墙作用的非线性数值研究

基于时域高阶边界元方法,建立了完全非线性二维数值波浪水槽,对非周期波浪与直墙的相互作用问题进行了模拟和研究.自由表面满足完全非线性自由水面运动学和动力学边界条件,采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪瞬时自由面流体质点,采用四阶Runge-Kutta法对下一时间步的波面和自由面速度势进行更新.采用加速度式法求解直墙表面速度势的时间导数,对瞬时物体湿表面上的水动力压强积分,得到作用在物体上的瞬时波浪力.首先,将全非线性与Serre-Green-Naghdi(SGN)模型的结果进行了对比分析,发现对于大幅值双入射波问题,仅满足弱色散关系的SGN模型大大低估了最大波浪爬高;其次,研究了双入射波与直墙的非线性作用问题,发现线性预报对波浪最大爬高有较大低估,而波浪的非线性成分不只导致了自由面爬高的异常增大,也引起了局部自由面的高频振荡,该物理过程中,直墙所受的波浪载荷,也展示出了与波浪爬高相似的非线性特性;最后,对波浪爬升和波浪力的时间历程进行了频谱分析,发现入射主频波的部分能量传递给了更高频的波浪成分,反映出该问题具有典型的非线性特性.     

离岸式潜堤对海堤越浪量影响的实验研究

外海波浪作用下海堤越浪是一个复杂的水动力学过程,越浪量则是评估海堤安全的重要因素之一。离岸式潜堤作为一种典型的护岸工程结构物,已被应用于淤泥质海岸复合式海堤工程,其主要作用是促淤保滩和降低越浪量。本文针对不同的潜堤与海堤距离以及不同的潜堤高程,进行了规则波作用下越浪量系列物理模型实验,给出了各工况下的实测越浪量。实验结果表明:潜堤是否导致波浪破碎是控制海堤越浪量的主要因素之一;当潜堤使得波浪破碎时,潜堤位置对海堤越浪量有较大影响。潜堤与海堤距离接近1/2波长时越浪量偏大。     

基于卷积神经网络的涵洞式直立堤波浪透射预测

涵洞式直立堤是一种具有特殊用途的海岸工程结构物,对其透浪特性的研究具有重要工程意义. 然而,目前众多学者对于涵洞式直立堤波浪透射问题的研究主要以理论分析、实验模拟及数值计算为主.随着机器学习技术的发展, 传统水动力学问题迎来了新的求解理念.机器学习算法可根据训练数据集自主学习相应的规律,以数据映射的方式建立水动力学特征预测模型,在实际应用中无需对流体运动控制方程进行求解, 具有较高的计算效率. 因此,本文基于卷积神经网络(convolutional neural network, CNN),对不同开孔条件下的涵洞式直立堤透浪特征进行预测.首先利用模型试验验证计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模型的有效性,然后基于CFD模型生成相应的训练数据集, 通过训练卷积神经网络模型,建立相应的波浪透射结果之间的数据映射关系,实现在新的工况下对波浪透射系数以及透射波波形等特征的快速预测. 结果表明,经过训练的卷积神经网络可在极短时间内计算得到相应的结果, 并具有较高的准确性.研究成果可为波浪与海岸结构物相互作用的问题提供新的求解理念.      

破碎带波浪的数值模拟

基于一组色散关系得到改进的完全非线性Boussinesq方程建立了一个波浪模型可以模拟近岸水域的波浪变浅、破碎以及在海滩上的爬高等多种变形。波浪破碎引起的能量衰减是在动量方程中引入一个在空间和时间上都只作用于波前的涡粘项来模拟。动海岸线边界用窄缝法处理。波浪爬高用非线性浅水方程推导的非破碎波浪在斜坡上爬高的解析解来验证。本模型还模拟了波浪在斜坡上不同类型的破碎变形过程,并将其波高和平均水位的沿程变化和物理模型实验的结果比较,两者符合良好。     

海堤越浪的数值模拟

基于RANS方程和两方程湍流模型，采用有限体积法，将人射波波场作为人工的分布源项加人动量方程，提出了适用于VOF方法的源造波一消波技术。通过对行波及驻波的计算，分别考察了数值波浪水槽前端及末端消波段的有效性。在本文建立的数值波浪水槽内对规则波在海堤上爬高和越浪过程进行了数值模拟，并将计算结果与现有实验结果进行了比较。验证计算结果表明，数值模拟结果较好地复演了海堤越浪过程。为了研究模型尺度对越浪量的影响，文中设计了一组满足重力相似但具有不同几何比尺的数值实验模型。系列数值实验结果表明，若按重力相似换算越浪量，计算结果与实验预报值间的偏差随模型比尺的增大和堤前波浪破碎强度的增强而增大，建议在进行越浪物理模型实验时需进一步考虑模型比尺对原型预报值的影响。     

非均匀水流中非线性波传播的数值模拟

以一种考虑波流相互作用的新型{Boussinesq}型方程为控制方程组， 采用五阶{Runge}-{Kutta}-{England}格式离散时间积分，采用七点 差分格式离散空间导数，并通过采用恰当的出流边界条件，从而建立了非均匀水流中非线性 波传播的数值模拟模型. 通过对均匀水流与水深水域内和潜堤地形上存在弱流或强流时波浪 传播的数值模拟，说明模型能有效地反映水流对波浪传播的影响.     

偏心椭球体回转平衡及其稳定性的研究

本文研究了摩擦系数和偏心距离对偏心椭球体回转平衡的影响,得到了椭球极轴与地面法向夹角的运动方程,导出了两类稳定解.结果表明摩擦力是椭球能否旋转至直立的必要条件,当偏心距一定,摩擦系数越大其运动至直立所需的时间越短.偏心距阻碍直立现象的出现,摩擦系数一定,偏心距越大,其运动至直立所需的时间越长.当偏心距值增大到一定程度,其将无法直立而是至一稳定的角度,并且稳定角度正比于偏心距,偏心距继续增大,将不会出现回转平衡.     

潜堤上波流传播的完全非线性数值模拟

利用时域高阶边界元方法建立模拟波流混合作用的完全非线性数值水槽模型, 其中自由水面满足完全非线性自由水面条件. 采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面, 运用4阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势. 为了减少计算域, 提高计算速度, 采用同时消除底面和侧面的镜像格林函数; 在每一时间步内, 对网格进行重新划分以避免由于网格运动变形而引起的数值不稳定问题. 对水流中淹没潜堤上的波浪变形在水槽中开展了物理模型试验, 并把试验结果和数值结果进行了对比, 吻合得很好. 进一步研究了水流及潜堤的存在对高阶谐波产生的影响.      

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.      

波浪与外壁开孔双筒柱群的相互作用

应用速度势的特征函数展开和透空壁内两壁间压力差和流体速度成正比的线性模型，建立 了波浪与外壁开孔同轴双筒桩柱群相互作用的线性解析解. 应用这一模型进行了数值计算， 用以检验孔隙系数对双筒柱上的波浪力和波面高度的影响. 结果表明，外壁孔隙系数的增加 对减小波浪力和柱外波面高度有很大影响.     

Diffraction of a solitary wave by a thin wedge

The diffraction of a solitary wave by a thin wedge with vertical walls is studied when the incident solitary wave is directed along the wedge axis. The method of multiple scales is extended to this problem and reduces the task to that of solving the two-dimensional KdV equation with proper boundary and initial conditions. The finite-difference numerical procedure is carried out with the fractional step algorithm in which difference schemes are all implicit. Except the maximum run-up at the wall, the results in this paper are found to corroborate the Melville's experiments not only qualitatively but also quantitatively. The maximum run-up of our results agrees well with Funakoshi's numerical one but it is considerably larger than that in Melville's experiment. An important reason for this discrepancy is believed to be the effect of viscous boundary layer on the vertical side wall.     

A non-hydrostatic numerical scheme for dispersive waves generated by bottom motion

A numerical scheme based on the staggered finite volume method is presented at the aim of studying surface waves generated by a bottom motion. We address the 2D Euler equations in which the vertical domain is resolved only by one layer. The resulting non-hydrostatic scheme is used to simulate surface waves generated by bottom motion in a water tank. Here we mimic Hammack experiments numerically, in which a bed section is moved upwards or downwards, resulting in transient dispersive waves. For an impulsive downward bottom thrust, free surface responds in terms of a negative leading wave, followed with dispersive train of waves. For an upward bottom thrust, amplitude of the leading wave decays as the wave propagates, and no wave of permanent form evolves— instead, there appears a train of solitons. In this article, we show that our numerical scheme can produce the correct wave profiles, comparable with the analytical and experimental results of Hammack. Simulations using intermediate and slow bottom motions are also presented. In addition, we perform a simulation of a wave generated by submerged landslide, that compares well against previous numerical simulations. Via this simulation, we demonstrate that our scheme can incorporate a moving wet–dry boundary algorithm in the run-up simulation.     

Analysis of the pressure at a vertical barrier due to extreme wave run-up over variable bathymetry

The pressure load at a vertical barrier caused by extreme wave run-up is analysed numerically, using the conformal mapping method to solve the two-dimensional free surface Euler equations in a pseudospectral model. Previously this problem has been examined in the case of a flat-bottomed geometry. Here,the model is extended to consider a varying bathymetry. Numerical experiments show that an increasing step-like bottom profile may enhance the extreme run-up of long waves but result in a reduced pressure load.     

A numerical study of the motion of a wave running up a beach

The main difficulty for the numerical calculation of the wave running up a beach is the treatment of its moving water boundary. In this paper a scheme of turning the free boundary problem into a fixed boundary problem is designed. The calculated run-up height is consistent with the experiments. Some interesting wave phenomena are also found.     

Shock wave attenuation by grids and orifice plates

The interaction of weak shock waves with porous barriers of different geometries and porosities is examined. Installing a barrier inside the shock tube test section will cause the development of the following wave pattern upon a head-on collision between the incident shock wave and the barrier: a reflected shock from the barrier and a transmitted shock propagating towards the shock tube end wall. Once the transmitted shock wave reaches the end wall it is reflected back towards the barrier. This is the beginning of multiple reflections between the barrier and the end wall. This full cycle of shock reflections/interactions resulting from the incident shock wave collision with the barrier can be studied in a single shock tube test. A one-dimensional (1D), inviscid flow model was proposed for simulating the flow resulting from the initial collision of the incident shock wave with the barrier. Fairly good agreement is found between experimental findings and simulations based on a 1D flow model. Based on obtained numerical and experimental findings an optimal design procedure for shock wave attenuator is suggested. The suggested attenuator may ensure the safety of the shelter’s ventilation systems.     

直立码头前船波浪力耦合计算模型

建立了外域用Boussinesq方程、内域用刚体运动方程的直立码头前二维船剖面波浪力的时 域计算耦合模型，内域与外域在交界面的匹配条件是流量连续和压力相等. 进行了相关模型 实验，并把计算结果与实验结果进行了对比. 推导了船体与水底和直立码头之间间隙内流体 运动的自振频率，研究了间隙内流体运动的共振现象.