二维数值波浪水槽模式的建立和应用及浪流相互作用研究

发布时间：2020-11-08 22:32

　　 根据本人在攻读博士学位期间所作的两项海浪研究工作，将学位论文分为二维数值波浪水槽模式的建立和应用，以及浪流相互作用研究两部分。 第一部分在回顾数值波浪水槽发展历程、现状及其应用前景的基础上，重点报告本人独立开发二维非线性数值波浪水槽模式的研究工作，其中包括构建数值波浪水槽的运行原理和具体步骤等全过程。 详细阐述了数值波浪水槽研究的数学物理基础以及建立数值波浪水槽的两大核心技术—二次边界元方法和混合欧拉—拉格朗日方法，给出了数值波浪水槽运行的实时模拟流程图。同时还系统说明了该模式应用的造波技术、消波技术以及特殊数值处理的方法和步骤。其中对阻尼消波技术作了改进，设计了一种纺锤形的阻尼消波器使其具有双向消波功能和低通滤波功能。将其与一种以水位为控制信号的活塞式消波机相结合，获得了更为满意的消波效果。 为检验该波浪水槽模式的性能，对其进行了严格、详细的测试。其中包括驻波的模拟实验，卷波的破碎模拟实验和一组ISOPE的官方测试(Official Benchmark)模拟实验。测试结果表明，该模式具有较完善的造波和消波能力，极好的非线性模拟能力，极佳的计算精度和稳定性，能够较好的满足数值实验的实际需要。 为检验该数值波浪水槽的实用性，对其进行了若干应用试验，以便显示该水槽在波动实验中的应用潜力，并期望能在海洋混合过程及其机理研究中获得应用。其中一项实验是将两层水槽相互耦合，给出模拟界面波的具体方案，实现界面波的模拟尝试。实验证明，在线性框架下该模式是稳定的，但在非线性模拟中却出现了由边界角点引起的弱不稳定现象，必须对模式作进一步修改，为此同时提出了以消波器消除该角点影响的限制性解决方法。另一项实验是借用地形的往复运动产生的波动，模拟往复流中由地形激发的波动现象，找到了往复流地形波与往复频率和地形高度之间的初步关系，发现了由地形引起的高频不稳定和破碎现象并给出了初步的解释。 第二部分根据本人协助导师所作的相关工作，对当前国内外的浪流相互作用研究进展做了系统的回顾，针对海浪对海流的大尺度驱动作用进行了有意义的探索。 在流对浪的作用讨论中，依据波动的射线理论和由变分原理导出的波作用量守恒定律，阐明了稳定波场波数矢量的无旋条件与费马原理的等价性，扼要讨论了背景流场影响海浪的运动学效应和动力学效应，首次指出水位(包括天文潮位与风暴潮位)变化对海浪成长与消衰的影响，为流浪潮联合数值模式的发展提供必要的理论依据。在浪对流作用的讨论中，系统的阐述了海浪在地转作用和粘性条件下所产生的各种作用力，详述了它们的生成机制，并定性的分析了相应的波生流，同时，首次提供了地转条件下浪致雷诺应力张量的完整表达式，为实现海流模式与海浪模式的并行数值计算提供了一种简便的途径。 二维数值波浪水槽模式的建立和应用 在前人有关海浪波生作用力研究工作的基础上，依据f平面近似下线化无粘流 体运动方程的一般形式，并考虑地转角速度水平分量的作用，首次给出真正地转意 义下均匀水底上的小振幅波动解。由此解导出的波生切应力包括波向与横向两个分 量。依地转波生应力和虚拟波生应力计算了海面上波生总应力与风应力的比值，大 致估计了该应力在我国海域环流研究中的重要性。 最后，在上述研究的基础上对海浪的横向彻体切应力进行了定量的具体分析。 使用风浪经验公式和风浪传入近岸的小振幅波动理论，计算并分析了地转条件下波 生横向彻体切应力随风速、风区、水深等因素的变化规律;将其与定常Ekman漂流 中的风生湍粘性力的比较表明，在中、高纬度的通常海况下两者具有相同量级，从 而强调在风生漂流研究中必须考虑由地转引起的波生横向彻体切应力。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2003
【中图分类】：P731.22
【部分图文】：

形的影响很大。下图是潮流在地形的影响下产生流动变化的情况，毫无疑问，地形作用对当地海水的混合起着重要的作用。图s一2一1潮流受海岸地形影响情形之示意图。摘自Garret.G.andLeoR.M.Maas(1993)同时，在存在密度跃层的海域中，水面潮所引起的潮流运动与海底地形发生作用，会造成等密度面在水平方向上的不均匀分布，当潮流速度改变时引起不稳定便会产生界面波动，即所谓的内潮(工nternaltide)。5Iaok.ni.gTideSh0ItSUrfae6W.V68J为r峪加.加彻呐卜出G下习”(‘图s一2一2内潮生成示意图。摘自G。rret0.。ndLeoRMMaas(1993)。对内潮波的研究是当前大洋环流研究的一大热点问题，因为它的运动状态极大地影响着海洋上混合层与底层水的交换。海洋是在上层加热的，由于温跃层的存在所获得的能量如果没有机械能的干预很难通过湍流扩散或以垂直环流的形式直接向下传递，因此找到使海水上下交换的机制，就等于找到了大洋环流运转的动力。于是内潮波作为温跃层上的主要波动之一，成为了海洋学家瞩月的焦点。实验观测发现
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 纪君娜;刘臻;纪立强;;振荡水柱波能发电装置气室的三维数值模拟研究[J];海岸工程;2011年02期

2 ;[J];;年期

3 ;[J];;年期

4 ;[J];;年期

5 ;[J];;年期

6 ;[J];;年期

7 ;[J];;年期

8 ;[J];;年期

9 ;[J];;年期

10 ;[J];;年期

相关博士学位论文 前10条

1 高山;二维数值波浪水槽模式的建立和应用及浪流相互作用研究[D];中国海洋大学;2003年

2 郭晓宇;数值波浪水槽及其应用研究[D];上海交通大学;2011年

3 宁德志;快速多极子边界元方法在完全非线性水波问题中的应用[D];大连理工大学;2006年

4 及春宁;虚拟区域法在波浪与结构物相互作用中的应用[D];天津大学;2005年

5 何海伦;非线性数值波浪水槽及其应用[D];中国科学院研究生院（海洋研究所）;2008年

6 韩涛;波浪与海床、结构物相互作用的数值模拟[D];天津大学;2005年

7 封星;围油栏拦油数值实验平台及拦油失效研究[D];大连海事大学;2011年

8 胡小舟;深海采矿1000米海试系统主要部件布放中的水动力学问题研究[D];中南大学;2011年

9 王文华;物体入水问题的分析研究及其在船舶与海洋工程中的应用[D];大连理工大学;2010年

10 黄燕;碟形越浪式波能发电装置的水动力性能研究[D];中国海洋大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 田超;风浪流作用下船舶操纵运动的仿真计算[D];武汉理工大学;2003年

2 廖瑾;不同深水桥梁基础型式的波浪响应分析[D];北京工业大学;2011年

3 刘瑛琦;基于SPH方法的数值波浪水槽研究[D];河海大学;2006年

4 田育丰;波浪与摆式发电装置相互作用的数值模拟研究[D];天津大学;2010年

5 徐少鲲;基于开源软件OpenFOAM的数值波浪水槽建立及应用[D];天津大学;2008年

6 杨锦凌;动量源方法模拟斜坡堤爬高和越浪[D];大连理工大学;2012年

7 杨靖培;基于CFX的波浪水槽数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2006年

8 李凌;粘性流中水波与浮式结构物相互作用的数值模拟研究[D];上海交通大学;2007年

9 李胜忠;基于FLUENT的二维数值波浪水槽研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

10 焦颖颖;新型弧形返浪墙水动力数值模拟[D];上海交通大学;2007年

本文编号：2875452