波浪扰动下河口幂律异重流的动力场分布特性

河口底层浮泥异重流的运动特性对于河口维持以及港口航道泥沙淤积过程具有重要的作用, 是海岸学科研究的关键内容, 也是热点内容之一. 本文首先综述了河口泥沙异重流研究的重要意义, 分析并总结了各家异重流理论模型的不同点和适应条件; 其次, 根据本文研究问题的实际需要, 构建了波浪与底泥相互作用的双层流体理论分析模式, 将上层流体简化为常见的牛顿体, 而将下层流体的流变关系设置为幂律函数, 研究了波浪作用下河口底部幂律异重流的流场特性. 这些特性包括:波浪速度场、底泥运动的流速场、不同密度影响下的压力场以及异重流泥面波与表面 波的波幅比等, 分析了泥层密度、波动圆频率以及底泥幂律指数对流场及界面波的影响. 研究发现, 在波浪扰动下, 两层流体交界处速度分量连续, 压强出现突变. 在下部泥层中, 水平速度幅值曲线存在极大值. 随着波动圆频率增加以及泥层密度与流动指数的减小, 界面处上下压强差值呈现增大的趋势. 本模型与实测波幅比的数据进行对比结果证实了模型的合理性.      

波浪扰动下河口幂律异重流的动力场分布特性

河口底层浮泥异重流的运动特性对于河口维持以及港口航道泥沙淤积过程具有重要的作用,是海岸学科研究的关键内容,也是热点内容之一.本文首先综述了河口泥沙异重流研究的重要意义,分析并总结了各家异重流理论模型的不同点和适应条件;其次,根据本文研究问题的实际需要,构建了波浪与底泥相互作用的双层流体理论分析模式,将上层流体简化为常见的牛顿体,而将下层流体的流变关系设置为幂律函数,研究了波浪作用下河口底部幂律异重流的流场特性.这些特性包括:波浪速度场、底泥运动的流速场、不同密度影响下的压力场以及异重流泥面波与表面波的波幅比等,分析了泥层密度、波动圆频率以及底泥幂律指数对流场及界面波的影响.研究发现,在波浪扰动下,两层流体交界处速度分量连续,压强出现突变.在下部泥层中,水平速度幅值曲线存在极大值.随着波动圆频率增加以及泥层密度与流动指数的减小,界面处上下压强差值呈现增大的趋势.本模型与实测波幅比的数据进行对比结果证实了模型的合理性.     

Experiments on the interaction of internal waves with the semi-submersible platform in a stratified fluid

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题 进行了模型试验研究. 采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了 测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系. 利用激光和倾角仪方法对半潜平 台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之 间的相关关系. 结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽 视的. 特别地,发现了在内波周期的某个范围内, 半潜平台的纵荡和纵摇都会出现 倍频周期运动响应的现象.     

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。     

三层流体中斜入射波作用下半无限板的水弹性响应

解析地研究了在三层流体中斜入射波浪与半无限弹性板的相互作用引起的波散射和板的水弹性响应. 三层流体在界面处的密度发生阶跃, 各层为一常数. 假设流体不可压缩、无黏、流体运动无旋. 在线性势流理论框架下, 使用本征函数展开法和内积式给出波板相互作用的半解析解. 根据色散关系分析, 得到了表面波模态和界面波模态入射时的临界入射角. 随着物理参数的变化, 临界角将随之发生变化. 临界角决定了当由开阔水域向板覆盖水域传播的表面波或界面波的存在性: (1)板覆盖水域入射界面上, 透射波能否存在; (2)入射界面之上界面中, 板覆盖水域中的透射波以及开阔水域中的反射波能否存在. 当下界面波入射时并且入射角足够大时, 开阔水域中的下界面波模态是整个流体域中唯一存在的模态.      

三层流体中斜入射波作用下半无限板的水弹性响应

解析地研究了在三层流体中斜入射波浪与半无限弹性板的相互作用引起的波散射和板的水弹性响应.三层流体在界面处的密度发生阶跃,各层为一常数.假设流体不可压缩、无黏、流体运动无旋.在线性势流理论框架下,使用本征函数展开法和内积式给出波板相互作用的半解析解.根据色散关系分析,得到了表面波模态和界面波模态入射时的临界入射角.随着物理参数的变化,临界角将随之发生变化.临界角决定了当由开阔水域向板覆盖水域传播的表面波或界面波的存在性:(1)板覆盖水域入射界面上,透射波能否存在;(2)入射界面之上界面中,板覆盖水域中的透射波以及开阔水域中的反射波能否存在.当下界面波入射时并且入射角足够大时,开阔水域中的下界面波模态是整个流体域中唯一存在的模态.     

分层流体中内波与半潜平台相互作用的模型试验

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题进行了模型试验研究.采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系.利用激光和倾角仪方法对半潜平台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之间的相关关系.结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽视的.特别地,发现了在内波周期的某个范围内,半潜平台的纵荡和纵摇都会出现倍频周期运动响应的现象.     

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.     

规则波浪与强逆流作用的实验研究

针对规则波浪在强逆流作用下的阻塞现象进行实验研究,给出了不同波况下的波高与周期沿水槽的变化.实验结果表明,波浪的频率越低,所需的阻塞流速越强;波幅离散对阻塞的影响很大,不能被忽略;对于较大的入射波高,边带不稳定性会使波浪发生频率下移,进而增大阻塞所需的流速.     

激波诱导下的气体界面不稳定性实验研究

界面不稳定性, 特别是Richtmyer–Meshkov (RM) 不稳定性, 是流体
力学中一项重要的研究内容, 无论在学术研究领域还是工程应用领域都有着
重要的研究价值和应用背景. RM 不稳定性问题自提出以来, 得到了学术界
广泛的关注, 其研究无论是在实验方法、数值模拟还是在理论分析方面都取
得了很大的进展. 在激波管中开展激波与界面相互作用的实验研究, 即研究
界面初始扰动在激波诱导下的演化规律, 是目前研究RM 不稳定性的重要手
段. RM 不稳定性实验研究包括3 个部分, 分别是激波的产生、界面的形成
以及流场的观测. 综述了RM 不稳定性的实验研究进展, 并针对目前研究的
局限性提出了RM 不稳定性今后实验研究的重点和方向: 汇聚激波作用下界
面不稳定性的发展规律; 激波冲击下多种形状及大振幅界面的演化机理; 三
维界面的RM 不稳定性发展规律; 可压缩湍流的形成与混合机理.      

NUMERICAL STUDY ON THE EFFECTS OF SMALL-AMPLITUDE INITIAL PERTURBATIONS ON RM INSTABILITY

采用Navier-Stokes 方程对入射激波及其反射激波连续诱导小振幅扰动界面的Richtmyer-Meshkov 不稳定性增长过程进行了二维数值模拟,分析了单模和随机多模两种不同初始形态的界面上钉结构和泡结构在反射激波作用前后的发展特性. 研究结果发现：单模扰动的初始界面形态对反射激波前、后界面的扰动增长都有影响,反射激波前的界面形态信息可以通过钉和泡结构之间的反转传递到反射激波过后. 扰动界面上钉结构的发展速度控制了界面混合区总体的发展速度,反射激波前界面上发展成具有完整冠部形态的钉,在反射激波后会反转成复杂的泡结构,此泡结构对反射激波后钉的发展不利. 随机多模界面显示了与单模界面类似的发展规律,但随机多模界面上的复杂泡结构分布的不对称性使得其对钉结构增长的拖曳效应相对要弱,这导致了相似扰动波长下多模随机界面的扰动发展相对单模界面扰动发展要快.     

Composite steady waves in a gravity fluid stream of finite depth

The problem of plane steady gravitational waves of finite amplitude, caused by a periodically distributed pressure over the surface of an ideal incompressible gravity fluid stream of finite depth, is considered. It is assumed that these waves do not vanish as the pressure becomes constant, but become free waves, which exist at constant pressure and special values of the stream velocity. As in [1], where a stream of finite depth is considered, such waves will be designated composite as contrasted with forced waves which vanish together with the variable part of the pressure. A general method is given for computing the composite wave characteristics. The first three approximations are computed to the end. An approximate equation for the wave profile is found.     

Analysis of comb transducers with sliding teeth

Ultrasonic comb transducer generates surface acoustic waves on an elastic substrate by periodic traction exerted by its vibrating periodic teeth on the substrate surface. In this paper, the comb teeth are actually sliding elastic spacers between an acoustic buffer and the substrate. The incident wave in acoustic buffer scatters on periodic spacers producing interface waves in the system which transform into Rayleigh waves at the transducer edges. The full-wave theory of interface wave generation is presented, concluded by efficiency estimation of transformation of the incident wave into the surface wave in the substrate and of the surface waves back to bulk waves in the acoustic buffer. Numerical examples presented for all aluminum substrate, buffer and teeth show the 11-teeth comb combined efficiency for generation and detection on the level of ?40 dB for optimized teeth height.     

INTERNAL SOLITARY WAVE LOADS EXPERIMENTS AND ITS THEORETICAL MODEL FOR A CYLINDRICAL STRUCTURE

在大型重力式密度分层水槽中, 对内孤立波与圆柱型结构的相互作用特性开展了系列实验. 基于两层流体中 内孤立波的KdV,eKdV和MCC理论, 建立了圆柱型结构内孤立波载荷的理论预报模型, 给出了该载荷理论预报模型中3类内孤立波理论的适用性条件.研究表明, 圆柱型结构内孤立波水平载荷包括水平Froude-Krylov力、附加质量力和拖曳力3个部分, 可以由Morison公式计算, 而内孤立波垂向载荷主要为垂向Froude-Krylov力, 可以由内孤立波诱导动压力计算.系列实验结果表明, 附加质量系数可以取为常数1.0, 拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系, 而且基于理论预报模型的数值结果与系列实验结果吻合.     

Wave motion in a gravity field on the free surface and stratification interface of a fluid with stratified inhomogeneity. Nonlinear analysis

Regularities of the nonlinear gravitational wave motion in a two-layer density-stratified fluid are investigated for a finite thickness of the upper, lighter, layer. The characteristics of the nonlinear internal resonant interaction of the gravity waves generated by the free surface of the upper layer and the medium interface are considered. It is shown that in second-order calculations both degenerate (two-wave) and secondary combined (three-wave) resonant interactions may be realized.     

New families of pure gravity waves in water of infinite depth

Nonlinear periodic gravity waves propagating at a constant velocity at the surface of a fluid of infinite depth are considered. The fluid is assumed to be inviscid and incompressible and the flow to be irrotational. It is known that there are both regular waves (for which all the crests are at the same height) and irregular waves (for which not all the crests are at the same height). We show numerically the existence of new branches of irregular waves which bifurcate from the branch of regular waves. Our results suggest there are an infinite number of such branches. In addition we found additional new branches of irregular waves which bifurcate from the previously calculated branches of irregular waves.     

Symmetry of free-surface flows

Certain geometrical properties of steady two-dimensional potential flows in the presence of gravity are considered. The two main problems are that of a solitary wave in an interface between two immiscible fluids of different densities, and that of steady waves in a free surface of a fluid flowing past an object (such as a ship hull, hydrofoil or surfboard). Our results include statements of positivity (or negativity), monotonicity, symmetry and the asymptotic behavior at infinity of such flows. The methods are extensions of those presented in earlier work on the solitary wave [7].     

Reflection and transmission of elastic waves through a couple-stress elastic slab sandwiched between two half-spaces

The reflection and transmission of elastic waves through a couple-stress elastic slab that is sandwiched between two couple-stress elastic half-spaces are studied in this paper. Because of the couple-stress effects, there are three types of elastic waves in the couple-stress elastic solid, two of which are dispersive. The interface conditions between two couple-stress solids involve the surface couple and rotation apart from the surface traction and displacement. The nontraditional interface conditions between the slab and two solid half-spaces are used to obtain the linear algebraic equation sets from which the amplitude ratios of reflection and transmission waves to the incident wave can be determined. Then, the energy fluxes carried by the various reflection and transmission waves are calculated numerically and the normal energy flux conservation is used to validate the numerical results. The special case, couple-stress elastic slab sandwiched by the classical elastic half-spaces, is also studied and compared with the situation that the classical elastic slab sandwiched by the classical elastic half-spaces. Incident longitudinal wave (P wave) and incident transverse wave (SV wave) are both considered. The influences of the couple-stress are mainly discussed based on the numerical results. It is found that the couple-stress mainly influences the transverse modes of elastic waves.