波浪作用下黏性泥沙运动研究综述

淤泥质海岸泥沙运动活跃,泥沙淤积问题严重,直接关系到岸滩演变和海岸防护. 该文主要综合国内外有关研究成果,对淤泥质海岸黏性泥沙的流变特性,波浪与底泥之间的相互作用,波浪衰减以及波浪作用下的底泥质量输移作简要总结,供进一步研究参考.     

波浪作用下砂质海底的瞬态应力

利用应力函数与超静孔压联立求解的方法直接得到了波浪作用下有限厚度砂质海底中瞬态应力的精确解,考虑了土骨架的弹性、流体压缩性和渗流各向异性.文中还讨论了特殊情形下的应力解,并证明前人有关本课题的若干解答均可作为本文解的特例导出. ...     

波浪作用下柔性草本植物受力特性研究

草本盐沼植物广泛分布于海岸带形成滨海湿地系统,这些滨海湿地具有生态、旅游、养殖及减灾等多方面价值.草本植物的消浪作用在海岸稳固和沿海防灾减灾等方面发挥了重要作用.已有植物消浪研究通常过度简化,将植物视为刚性圆柱并依赖于调节经验拖曳力系数来提高预测准确度,对柔性植物与波浪的相互作用机理研究还很欠缺.草本植物通常由多片柔性...     

规则波作用下垂直圆柱局部波浪力

在ＫＣ为４０～３５，雷诺数Ｒｅ为６×１０３～２×１０４参数范围内就规则波作用下垂直圆柱局部波浪力进行了实验研究．给出横向力随ＫＣ数类型变化的划分．基于Ｓｔｏｋｅｓ二阶波理论和Ｍｏｒｉｓｏｎ公式得到圆柱阻力系数ＣＤ，惯性力系数ＣＭ和最大升力系数ＣＬｍａｘ沿桩柱的分布及其随ＫＣ数的变化规律．结果表明，在波表面间歇区的桩柱的局部水动力系数变化显著，越向波峰位水动力系数ＣＤ和ＣＬｍａｘ越减小，而ＣＭ值却越增高．     

随机波浪作用下近岸波流场的数值模拟

结合近岸波浪抛物型缓坡模型和近岸波流场模型,对近岸不规则波浪及其破碎后所产生的流场进行了数值模拟. 在不规则波浪场的模拟中,采用JONSWAP波浪谱对入射单向不规则波浪要素按等分频率法进行离散,应用考虑波浪不规则性和破碎效应的抛物型缓坡方程对波浪场进行数值模拟,并基于抛物型缓坡方程中的波浪势函数等参数计算波浪辐射应力,以波浪辐射应力为主要动力因素基于近岸流数学模型对近岸波浪破碎所产生的近岸流场进行数值模拟,并对数值模拟结果进行了验证. 模拟结果表明该模型可有效地用于研究波浪破碎产生的近岸波流场.      

水下岩质边坡在波浪作用下的稳定性分析

运用ANSYS程序对水下的岩质边坡进行数值模拟分析,采用不同的材料强度来模拟岩石和软弱结构面。应用强度折减方法对边坡的强度参数进行折减,直至边坡出现破坏,分析边坡在达到破坏时内部的应力应变情况和位移变形情况。对于波浪力,本文采用简化的波压力方程模拟低频的水波对边坡的波压力影响,并用多个模型比较计算的方法得出最佳的模型尺寸和水下荷载的计算模式。     

水面下的波浪--海洋内波

讨论了海洋中因温度、盐度非均匀引起的分层结构．内波因恢复力小比表面波有较大振幅和较低频率．在地球上,内波以不同形式(如：内潮,内孤立波等)发生在层结、洋流和地形合适的大陆边缘地带．内波活动是海洋结构的安全隐患、水下声道的背景噪声源和深水混合的“搅拌器”,我们考察了内波在海洋工程、海洋环境和水声探测中的各种应用．     

基于高频轮轨作用的波浪型磨损研究

对高频轮轨相互作用下轨道的波浪形磨损问题进行了考察。通过引入轮轨的灵敏度，得到了轮轨间蠕滑力的波动同轨道表面不平顺幅值和表面曲率的波动关系；通过引入摩擦功计算了轨道表面的磨损，得到了磨损率的计算公式。结果表明，钢轨的磨损率同轨道的垂向动力行为密切相关；轨道表面不同点在不同激振频率下的磨损率不同。     

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.     

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.     

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.     

波浪作用下网帘的水动力载荷和变形计算

 离岸水产养殖中的网箱养殖逐渐成为全球水产养殖业的主导．海洋环境中网箱的水动力荷载对网箱结构的整体设计提出了更高的要求．本文建立了一种计算波浪荷载下网帘结构水动力和变形的数值计算方法,利用质点杆单元模型模拟网帘结构,通过Morison 公式求解网帘结构在波浪荷载下的受力,得到网帘结构的空间分布,同时运用迭代法对网帘结构结点受力及运动变形时的位移进行数值迭代计算,通过双目测距系统对网帘结构变形测量的结果,获得等效弹性系数,并对数值结果进行了验证．     

非Gauss分布随机波浪力对海洋平台的非线性作用

为避免求解决定Maikov过程转移概率密度的Fokker—Planck方程，基于尺度分离的假设导出了一组描述非线性海洋平台受非Gauss分布随机波浪载荷作用所产生响应的矩量的常微分方程组。矩量方程清楚地反映出分别对应随机载荷和结构响应的两种不同统计特性的相互关系。由于矩量方程不依赖载荷的概率分布的具体细节，以它来模拟随机激励作用下的非线性系统将免于Monte Carlo方法所面临的正确模拟载荷概率分布的困难任务。将摄动法用于矩量方程可使线性化不再需要，这样就不会因为线性化而产生不可预料的误差。     

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.     

非结构化网格下大范围波浪的折绕射计算

从含流缓坡方程出发,推导出光程函数方程。采用基于非结构化网格下的有限体积法对光程函数方程和波作用守恒方程进行数值离散和联合求解,从而构建了一个考虑绕射的计算近岸大范围波浪传播过程的数值模型。模型的空间步长不再受制于波长的限制,同时非结构化网格可以很好地拟合复杂岸线变形。模型分别通过了施奈尔定律、直立防波堤后的波浪绕射和圆形浅滩上的波浪变形验证,结果表明,该数值模式能有效模拟复杂边界条件和大范围水域下近岸波浪的传播过程中的折射和绕射等变形。     

波浪和波载

波浪是海水的基本运动形态,是海岸设施、近海结构和海上船舰所遇到的基本海况。因此波浪研究具有重要的理论和实际意义。大体上说,波浪研究可以分为两个阶段。从19世纪中叶到本世纪50年代为第一阶段。在此期间主要运用流体动力学理论处理波浪,目的是用数学工具描述波浪的基本运动学特性。于是发展了各种确定性波浪理论(包括线性和非线性理论),求出基本方程      

大尺度结构物的二阶波浪荷载

本文提出了一个在有限水深条件下大尺度物体上二阶波浪荷载的数值计算方法。用表面布源法求二阶散射势的特解,提出了有限水深满足非齐次表面边界条件的格林函数,给出了格林函数的积分和级数形式,研究了表面布源范围对解的影响。     

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。