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规则波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟

水运工程 2022年第1期 1-6页

作者：段岳高华喜孙宇飞齐欣浙江海洋大学浙江舟山316000

台风过境产生极端波浪造成斜坡式海堤越浪,现有计算越浪量的经验公式都存在适用性的问题。为探求台风天气下舟山区域斜坡堤越浪量计算公式,基于VOF方法,对Navier-Stokes方程和k-ε方程进行求解,建立速度边界造波和阻尼消波的数值波浪水... 详细信息

台风过境产生极端波浪造成斜坡式海堤越浪,现有计算越浪量的经验公式都存在适用性的问题。为探求台风天气下舟山区域斜坡堤越浪量计算公式,基于VOF方法,对Navier-Stokes方程和k-ε方程进行求解,建立速度边界造波和阻尼消波的数值波浪水槽。在水槽中建立斜坡堤模型,通过改变影响越浪量的相关因素,模拟台风浪条件下规则波作用于斜坡堤发生越浪。将数值模拟结果与物理模型试验结果进行对比,分析确定各因子与越浪量系数的定量关系,提出一种新的计算越浪量系数的经验公式。结果表明,经验公式突出波陡与越浪量的对数关系,相对水深越大,相对堤顶超高越大,μ′值越小,越浪量越小。

关键词：规则波斜坡堤越浪量数值波浪水槽

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规则波中水面舰船流噪声数值研究

船舶工程 2023年第11期45卷 25-31页

作者：张昕宇向阳王文博武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063 武汉理工大学船舶动力系统运用技术交通行业重点实验室武汉430063

为研究波浪对舰船流噪声的影响,采用基于RANS方法的k-ε湍流模型,结合VOF造波方法及重叠网格技术对船体在规则波中迎浪航行时的三维非定常黏性流场进行求解,并在此基础上通过FW-H声类比方法计算船体航行时的流噪声。流场阻力系数计算结... 详细信息

为研究波浪对舰船流噪声的影响,采用基于RANS方法的k-ε湍流模型,结合VOF造波方法及重叠网格技术对船体在规则波中迎浪航行时的三维非定常黏性流场进行求解,并在此基础上通过FW-H声类比方法计算船体航行时的流噪声。流场阻力系数计算结果与试验值接近,规则波波形与理论值吻合良好,验证了数值模型有效性。声场计算结果表明:波浪导致的船体各自由度运动使得舰船在规则波中航行时的流噪声与其在静水中航行时的流噪声在总声压级上有15 dB~20 dB的差距,波浪对于流噪声的影响不容忽视。所用计算方法为波浪中水面舰船流噪声研究提供了新的途径。

关键词：规则波流噪声声学类比方法 FW-H

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规则波作用下方形排柱附近水流特性数值模拟

水运工程 2022年第2期 16-22页

作者：王泽能刘世建吕文舒陈瑞广西北部湾投资集团有限公司广西南宁530022 广西交科集团有限公司广西南宁530022 北京工业大学北京100124 长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410015

为研究规则波作用下方形排柱附近流动特性,基于计算流体力学软件FLOW-3D,运用质量源造波方法,离散RNG k-ε方程控制下的雷诺时均Navier-Stokes方程建立无反射三维数值波浪水槽。与物理模型试验结果对比,建立的数值模型性能良好。运用数... 详细信息

为研究规则波作用下方形排柱附近流动特性,基于计算流体力学软件FLOW-3D,运用质量源造波方法,离散RNG k-ε方程控制下的雷诺时均Navier-Stokes方程建立无反射三维数值波浪水槽。与物理模型试验结果对比,建立的数值模型性能良好。运用数值计算结果,分析排柱周围自由表面三维运动特征和方形排柱周围速度场与涡量场分布特性,采用无量纲方法分析方形排柱后方波浪透射系数K_(t)的变化规律。结果表明:规则波作用下方形排柱周围流场呈周期性变化规律,最大涡量值在方形排柱单柱的上下游角隅区交替出现。在数值模拟试验范围内,透射系数K_(t)随波陡H_(L)的变化略有波动,但不显著;透射系数K_(t)随相对水深d_(L)的增大逐步减小。

关键词：方柱规则波水流特性透射系数数值模拟

一种半潜式商用6 MW级风力机载荷数值模拟研究

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哈尔滨工程大学学报 2024年第1期45卷 17-24,128页

作者：方龙翟恩地李荣富宁巧珍赵斌李晔周雅容章丽骏天津大学建筑工程学院天津300350 北京金风科创风电设备有限公司北京100176 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) 广东湛江524002 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

针对海上漂浮式风力机在其运行状态下的叶轮气动载荷与平台运动状态难以预测的问题,本文以一种商用6 MW级漂浮式风力机为研究对象,基于非稳态的雷诺平均湍流模型,进行了全耦合数值模拟和水池模型试验研究。结果显示:浮式风力机自由衰减... 详细信息

针对海上漂浮式风力机在其运行状态下的叶轮气动载荷与平台运动状态难以预测的问题,本文以一种商用6 MW级漂浮式风力机为研究对象,基于非稳态的雷诺平均湍流模型,进行了全耦合数值模拟和水池模型试验研究。结果显示:浮式风力机自由衰减周期的模拟值在纵摇、横揺和垂荡上与实验值吻合度较高,而在纵荡、横荡和艏摇上,衰减周期的模拟值与实验值存在一定误差,这主要是由数值模型中对系泊系统进行悬链线简化时造成的。在静水工况下,风力机气动载荷的波动主要受塔影效应影响,机舱加速度的波动与叶轮推力系数变化呈正相关,浮式风力机纵荡和纵摇运动主要受叶轮气动载荷波动的影响;在规则波和非规则波工况下,叶轮推力的波动受浮式基础纵荡和纵摇的影响较大,叶轮推力系数变化和机舱速度呈负相关。浮式风力机的运动主要受波浪载荷的影响,气动载荷对其影响相对较小。

关键词：漂浮式风力机模型试验数值模拟非稳态雷诺平均气动载荷自由衰减静水规则波非规则波

规则波作用下大型圆盘海洋浮标的水动力特性研究

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规则波作用下大型圆盘海洋浮标的水动力特性研究

作者：杨凤婷浙江海洋大学

学位级别：硕士

10m直径大型圆盘海洋浮标是海洋环境监测的重要平台,是人们了解海洋和开发海洋的重要工具。然而,复杂多变的海洋环境会影响海洋浮标的稳定性。波浪是海洋浮标的主要外部荷载,浮标所受波高、波浪周期影响以及锚泊方式等是工程中关心的重... 详细信息

10m直径大型圆盘海洋浮标是海洋环境监测的重要平台,是人们了解海洋和开发海洋的重要工具。然而,复杂多变的海洋环境会影响海洋浮标的稳定性。波浪是海洋浮标的主要外部荷载,浮标所受波高、波浪周期影响以及锚泊方式等是工程中关心的重要问题。因此,分析波浪作用下大型圆盘海洋浮标的水动力特性,对评估其安全性和稳定性具有重要意义。本文主要研究内容如下:采用物理模型试验的方法,根据设定的波浪条件和10m直径大型圆盘海洋浮标模型,进行了不同波浪条件和锚泊方式下的大型圆盘海洋浮标的运动响应特性试验。分析波高、波浪周期对浮标的运动轨迹、纵荡、升沉、横摇等水动力特性的影响,得到不同波浪要素下浮标的水动力量化特征参数。分析得出随着波高的增加,浮标的纵荡、升沉和横摇均增加。小周期也会导致浮标运动不稳定,并发现1.5～2.5s是浮标运动较稳定的一个周期区间。此外,分析锚链长度、配重重量对浮标运动的影响,发现2.0m锚链长度的浮标和五个配重的浮标对不同波浪要素的波浪适应能力较强,能保证一定的稳定性。介绍了Dual SPHysics模型理论知识,应用Dual SPHysics模型建立了大型圆盘海洋浮标波浪水动力学数值模型,模拟出浮标体及锚泊系统在规则波中的运动情况。验证了浮标的运动轨迹和横摇,验证结果较好。此外,在数模的基础上进行不同锚泊方式的模拟,以此探究浮标在不同锚泊方式下的运动状态,分析不同锚链数量和不同波浪入射角度对浮标的运动响应特性影响。得到二向锚链系缚作用下,浮标运动较稳定。当波浪入射角度过小时,浮标的运动较不稳定,当入射角度超过30°时,浮标的运动较稳定。通过分析大型圆盘海洋浮标的动力响应特性,得出其在不同规则波条件和不同锚泊方式下的运动状态。研究结论为大型圆盘海洋浮标的设计、稳定性能评估提供参考,浮标数值模拟方法为大型浮标的研究提供了新的思路。

关键词：大型圆盘海洋浮标规则波水动力特性 DualSPHysics开源程序

基于CFD方法的两栖飞机规则波中运动特性研究

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哈尔滨工程大学学报 2023年

作者：胡开业石林飞周辉毛丽君哈尔滨工程大学船舶工程学院

针对水陆两栖飞机加速起飞运动过程受波浪干扰问题，基于Star-CCM+平台数值模拟技术，引入两层k-ε湍流模型求解RANS方程，VOF方法捕捉自由液面，DFBI模块以及重叠网格技术模拟水上飞机六自由度运动，建立了一套波浪中水陆两栖飞机加速... 详细信息

针对水陆两栖飞机加速起飞运动过程受波浪干扰问题，基于Star-CCM+平台数值模拟技术，引入两层k-ε湍流模型求解RANS方程，VOF方法捕捉自由液面，DFBI模块以及重叠网格技术模拟水上飞机六自由度运动，建立了一套波浪中水陆两栖飞机加速滑行起飞运动特性研究方案。以波长和波高为变量，探讨了加速滑行过程中上述变量对水上飞机升沉、纵摇运动响应以及机身重心处垂向加速度的影响规律。结果表明：随着波长增加，飞机升沉运动先增加后缓慢变化，飞机重心垂向加速度、纵摇角加速度和纵摇峰值集中在波长为2～3倍机身长度海况范围内；随着波高增大，飞机升沉、纵摇运动及重心垂向加速度最大值随之增大，且长波中的运动变化量较短波中更大；机翼气动升力数值模拟结果与计算值一致，该方案可用于水陆两栖飞机气动力相关计算。

关键词：水陆两栖飞机纵向稳性加速运动 CFD 纵摇升沉规则波重叠网格

规则波作用下混凝土环氧涂层界面气泡初始损伤演化研究

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规则波作用下混凝土环氧涂层界面气泡初始损伤演化研究

作者：郑景琦长沙理工大学

学位级别：硕士

波浪在结构物涂层表面产生的周期性冲击荷载,加剧了混凝土涂层界面气泡初始损伤演化,导致涂层提前发生力学剥蚀而失效,使得结构物寿命大大缩短。基于ABAQUS有限元软件,采用内聚力单元模拟混凝土环氧涂层粘结作用,开发了单调损伤和疲劳... 详细信息

波浪在结构物涂层表面产生的周期性冲击荷载,加剧了混凝土涂层界面气泡初始损伤演化,导致涂层提前发生力学剥蚀而失效,使得结构物寿命大大缩短。基于ABAQUS有限元软件,采用内聚力单元模拟混凝土环氧涂层粘结作用,开发了单调损伤和疲劳损伤内聚力单元用户自定义材料,建立了混凝土环氧涂层界面气泡初始损伤内聚力模型,研究了规则波周期性冲击荷载作用下混凝土环氧涂层界面气泡初始损伤演化规律。主要研究内容和结论如下:(1)规则波作用下涂层运用初期混凝土环氧涂层界面气泡初始损伤动力响应规律。在规则波周期性冲击荷载作用下,气泡初始损伤涂层和内聚力单元应力应变与波浪荷载呈正相关,随波浪荷载增减而增减;单气泡初始损伤动力响应集中于气泡初始损伤底部,且椭圆形单气泡初始损伤半短轴应力应变相比半长轴部位较大,多气泡初始损伤动力响应集中于两气泡初始损伤底部中间区域;内聚力单元应力应变相比涂层较大,在规则波周期性冲击荷载长期作用下,涂层主要发生界面脱粘损伤。(2)不同因素(面积、生成度、偏心率和相对距离)对气泡初始损伤动力响应规律的影响。在单一因素影响下,单气泡初始损伤内聚力单元最大应变随面积增加而增大,随生成度增大而减小;随着单气泡初始损伤偏心率增大,内聚力单元应力应变向气泡初始损伤半短轴部位集中,内聚力单元最大应变逐渐增大,且增大速率逐渐增加;当多气泡初始损伤相对距离较小时,内聚力单元应变集中于气泡初始损伤底部中间区域,该部位应变随相对距离增大而逐渐减小;多气泡初始损伤内聚力单元应变最大值始终位于气泡初始损伤底部圆心连线经过部位,此处为两气泡初始损伤底部相距最近的位置,且最大应变值随相对距离的增加逐渐减小;当两圆形气泡初始损伤相对距离大于5R、两椭圆形气泡初始损伤相对距离大于5SR时,气泡初始损伤相互之间影响较小。(3)规则波长期作用下混凝土环氧涂层界面气泡初始损伤演化规律。气泡初始损伤演化过程分为疲劳损伤累积阶段和脱粘区域扩展阶段。疲劳损伤累积阶段:单气泡和多气泡初始损伤混凝土涂层界面内聚力单元应力应变分别集中于气泡初始损伤底部和两气泡初始损伤底部中间区域,在规则波周期性冲击荷载作用下,该部位疲劳损伤累积较快,率先发生脱粘;椭圆形单气泡初始损伤底部半短轴部位应力应变相比半长轴部位较大,疲劳损伤累积较快,率先发生脱粘。脱粘区域扩展阶段:单气泡初始损伤脱粘区域以气泡初始损伤底部形状为雏形往外扩展,脱粘区域面积扩展速率逐渐增大,最终形成圆形脱粘区域;由于存在“汇聚”现象,多气泡初始损伤混凝土涂层界面由两气泡初始损伤底部圆心连线经过部位率先发生脱粘,随后脱粘区域逐渐扩展开来,最终形成圆形脱粘区域。(4)不同因素(面积、生成度、偏心率和相对距离)对气泡初始损伤演化的影响。在单一因素影响下,单气泡初始损伤初始脱粘历时随气泡初始损伤面积增大而减小,最终趋于一个稳定值;单气泡初始损伤初始脱粘历时随气泡初始损伤生成度增大而增大,当气泡呈扁平状态时,初始脱粘历时趋于稳定;随着单气泡初始损伤偏心率增大,初始脱粘历时逐渐减小,且变化速率逐渐增大;双圆形气泡初始损伤初始脱粘历时随相对距离增大而增大,当相对距离为5R时相互作用微弱,初始脱粘时间趋于稳定。故在涂层涂装过程中应进一步提高工艺,尽量减少气泡初始损伤的形成,同时尽量减小气泡初始损伤面积,从而增大初始脱粘历时,延长涂层使用寿命。

关键词：规则波初始损伤疲劳损伤界面脱粘内聚力模型

规则波作用下透水岸礁水动力特性数值模拟研究

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规则波作用下透水岸礁水动力特性数值模拟研究

作者：蓝港芸长沙理工大学

学位级别：硕士

珊瑚礁是由礁石珊瑚群体遗骸形成的岩体结构,属于典型的生物海岸地貌形态,其广泛分布于热带和亚热带浅海地区。珊瑚礁地形与一般的近岸地貌不同,其地形变化剧烈,附近水域水动力特性更为复杂。在我国南海诸多岛屿中珊瑚岛礁居多,随着对... 详细信息

珊瑚礁是由礁石珊瑚群体遗骸形成的岩体结构,属于典型的生物海岸地貌形态,其广泛分布于热带和亚热带浅海地区。珊瑚礁地形与一般的近岸地貌不同,其地形变化剧烈,附近水域水动力特性更为复杂。在我国南海诸多岛屿中珊瑚岛礁居多,随着对东南沿海海岸和岛屿开发力度的增大,岛礁建设工程增多,迫切需要理论依据为实际工程提供指导,因此开展规则波作用下珊瑚岸礁的水动力特性数值模拟研究具有很重要的现实意义。目前,国内外关于珊瑚礁水动力特性的数值研究,通常将珊瑚礁底部边界概化为不透水边界层,而实际上珊瑚礁冠层是孔隙结构,冠层中存在孔隙流。本文采用非静压模型NHWAVE建立二维波浪数值水槽对规则波在珊瑚岸礁上的水动力特性进行数值模拟研究。该模型是对σ坐标下不可压缩的Navier-Stokes方程和孔隙介质模型进行求解,对于波浪中的紊流采用改进的k-ε湍流模型进行模拟,同时自由表面被假定为水平方向的单值函数,因此数值求解量减小。对于规则波在珊瑚岸礁上的水动力特性的数值研究,首先进行数值模型验证,通过与三个物理试验浪高仪的自由液面时间序列、沿礁平均波高和平均水位试验数据对比,验证非静压模型NHWAVE能合理的模拟规则波在透水岸礁和不透水岸礁上的波浪传播演变、波浪破碎和波浪增减水。随后采用该模型研究不同的波浪参数(入射波高、水深和入射波周期)和透水层参数(透水层孔隙率、透水层孔隙介质中值粒径和透水层厚度)对规则波在透水岸礁上的传播演变、波浪破碎和波浪增减水的影响。研究结果表明:透水层的存在使得规则波在透水岸礁上传播时的流速、波高、波能分布、波浪破碎、波浪增减水、波浪反射和波浪透射等水动力特性与波浪在不透水岸礁上传播时存在较大差异,说明透水层具有抵御波浪促进海岸带防护的能力。

关键词：非静压模型规则波孔隙介质模型透水岸礁

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规则波作用下珊瑚砂岛地形演变研究

规则波作用下珊瑚砂岛地形演变研究

作者：陈仙金长沙理工大学

学位级别：硕士

近年来,因全球气候变化而伴随海平面上升和强台风多发,强台风易引发大规模的风暴潮和台风浪极端波浪事件,这些极端波浪事件将破坏珊瑚礁坪上低洼砂岛的稳定,且海平面上升可能使低洼砂岛处的居民在几十年后不再适合居住。然而,南海也是... 详细信息

近年来,因全球气候变化而伴随海平面上升和强台风多发,强台风易引发大规模的风暴潮和台风浪极端波浪事件,这些极端波浪事件将破坏珊瑚礁坪上低洼砂岛的稳定,且海平面上升可能使低洼砂岛处的居民在几十年后不再适合居住。然而,南海也是我国风暴潮和海啸灾害高风险区,相对于我国大陆沿岸,风暴潮、海啸影响下的南海岛礁工程防浪建筑物的安全面临更为巨大的挑战。因南海珊瑚砂岛地处边远,现场资料的获得相对困难,一直以来关于珊瑚砂岛天然地貌和演变进程的资料积攒及相关研究颇少,对珊瑚砂岛的地形演变缺乏足够的认识,加之南海存在大量珊瑚砂岛(包括人工珊瑚砂岛),它们的存在关乎国家主权的核心利益。因此,亟需加强对南海珊瑚砂岛在全球气候变化和极端天气影响下的长期和短期演变规律开展研究,服务于维护我国领土权益和岛礁工程设施的须要。此外,研究波浪作用下珊瑚砂岛的冲淤平衡,对岸滩的演变和海岸防护问题具有重要现实意义和参考价值。本研究基于概化的水平一维珊瑚礁岛模型,主要通过浪高仪和LRI-Ⅲ三维地形量测系统对测试工况下的自由液面和砂岛剖面高程进行测量。物理模型试验主要研究入射波高、入射波周期、礁坪淹没水深、砂岛的起始高度、上底宽度和砂岛距礁缘的距离等6个因素对规则波作用下砂岛地形演变规律的影响。数值模拟采用近年来兴起的基于结构化网格的二维平面海岸动力地貌数值程序包XBeach,以其开源、易扩展、计算效率高和求解方式先进等优点也开始应用于珊瑚礁海岸动力地貌的模拟。本文基于求解水深平均模式下的非线性浅水方程建立规则波数值水槽,用物理模型试验结果验证模型的可行性,随后分别对流、非静压修正、泥沙输移和地形演变模块中的一些参数进行敏感性分析,从而确定参数最优化组合,并将其运用于典型工况。物理模型试验结果表明:砂岛整体沿礁演变的剧烈程度和向海侧坡缘冲刷强度随着入射波高和入射周期的增大而增强;礁坪淹没水深对砂岛的整体演变及向海侧坡缘冲刷的影响并非单一变化的,砂岛沿礁的整体迁移及向海侧坡缘冲刷高程随着礁坪淹没水深的增大而呈现往复变化的趋势;砂岛的向海侧坡缘冲刷高程随着砂岛起始高度的增大而增大;当砂岛距礁缘距离增大时,砂岛的向海侧坡缘冲刷高程随之减小,而砂岛的上底宽度对砂岛的地形演变影响较小。数值模拟结果表明:床面摩擦系数、最大波陡、非静压模型分层数、泥沙源项系数、珊瑚砂孔隙率和珊瑚砂密度对该数值模型有着显著影响,发现珊瑚砂岛地形沿礁演变的速率随着床面摩擦系数增大而减小,因为床面摩擦系数增大,会使底床摩擦和床面剪切力增大,导致传至砂岛附近的波高减小,从而致使砂岛剖面变化程度减小。珊瑚砂岛的冲刷强度和沿礁剖面变化程度随着最大波陡、非静压模型分层数和珊瑚砂孔隙率增大而增强;而随着泥沙源项系数和珊瑚砂密度的增大却反之。最后,将优化组合后的敏感性参数应用于模型中,并与物理模型试验的典型工况进行对比,分析发现两者间的合乎度较好。

关键词：珊瑚礁岛珊瑚砂岛地形演变规则波