二维高阶Boussinesq数值模型及其实验验证

基于近似到O(μ2)阶完全非线性的Boussinesq方程,在非交错网格下,建立了有限差分的波浪数学模型.针对该数学模型,利用混合四阶Adams-Bashforth-Moulton预报-校正格式对该方程进行了数值求解.计算了几组地形下的波浪传播变形,数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了该波浪数值模型.同时给出了弱非线性方程数值模型的计算结果,讨论了非线性的影响.     

岸坡植被水域椭圆余弦波传播模拟及分析

基于扩展型强非线性Boussinesq水波方程,通过在动量方程中引入植被应力项来考虑植被对波浪的作用,建立了近岸植被水域波浪传播运动的数值模型。将植被场中随机波浪传播的数值模拟结果与物理试验数据进行比较,吻合良好,并在对模型进行验证的基础上,模拟和分析了水平二维岸坡植被区域椭圆余弦波的传播变形。针对波浪爬坡,破碎,增减水以及波生流进行分析,结果表明,随着水深变浅,波高逐渐变大;当波高增大到临界点时破碎,植被区波高明显比无植被区衰减得更快;相比远离岸线的植被,破碎区植被对波高衰减更显著,而且不会出现二次破碎;与无植被区域相比,植被区域波相速度和波长较小,局部产生比较明显的折射效应;植被位于破碎区时,由于植被的耗能作用,近岸区域波浪增水显著减小;植被对近岸环流具有显著影响,植被边缘出现强近岸环流和大尺度旋涡;破碎区内分布的植被作用下离岸流分布均匀,流速较小,分布范围比较大;植被区域距离岸线越远,产生的涡旋尺度越大,植被末端的离岸流也越剧烈。     

超重环境下摇板造波的理论分析

目的研究超重环境对传递函数值(摇板摆幅与波浪波幅的比值)的影响,为海工离心机的研制提供理论依据。方法借助C语言以及Matlab软件,进行超重环境下摇板造波的理论推导。结果在深水条件下,利用Matlab计算出的曲线图表明,传递函数值随着重力加速度(离心加速度水平)的增大而减小;在浅水条件下,用C计算出频率为31.415 9,水深和摇板都为1 m时,在常重力下,传递函数值为1.980 1;在重力加速度提高到150g时,传递函数值为0.485 04。结论不管是深水条件还是浅水条件下,传递函数值都随着重力加速度的增大而减小。     

新型高阶Boussinesq方程的一维数值模型及其实验验证

基于刘忠波等(2004)推导的新型高阶Boussinesq方程,建立了预报-校正差分格式的数值模型。为考察该数值模型的适用性,针对较大坡度的潜堤上的波浪传播变形进行了数值研究。将数值结果与实验结果进行比较,二者较为吻合,验证了本文的数值模型,同时也说明本方程可用于模拟较陡地形的波浪变形。     

正交曲线坐标下Boussinesq方程的研究

从质量守恒方程和Euler方程出发,推导出包含底摩擦耗能、波浪破碎效应和亚格湍流效应的改进型Boussinesq方程,并对该方程以及边界条件进行了正交曲线转换,建立了正交曲线坐标系下的二维波浪模型并用实验地形对本文模型进行了验证,计算结果与实测数据吻合很好,说明模型可以较好地模拟波浪传播过程中的浅水变形、折射、绕射和反射等现象.     

基于Elman神经网络的流体管道泄漏点检测定位

目的通过Elman神经网络预测对泄漏点进行过检测定位。方法基于流体压力波的负压波法及反馈型Elman神经网络方法,开展水力输运管道的泄漏定位研究。利用Flowmaster仿真软件中的水力输运模型建立长度为1100 m的一维管路系统,针对此系统开展不同管路状态参数下的数值仿真计算。结果通过小波变换技术实现了数据降噪与奇异点捕捉,完成了泄漏点位置的估算。同时,借助反馈型Elman神经网络,开展了不同泄漏工况下的网络训练和预测,利用经过训练的神经网络对所选取的5组泄漏点完成了定位预测,最大测试误差为1.83%。结论通过Elman神经网络预测得到的结果与实际泄漏位置进行对比,验证了反馈型神经网络方法在管路泄漏智能定位问题中的准确性与有效性。     

基于XBeach模型的离岸堤群防护效果评价指标

离岸堤等海岸防护工程会引起波浪的绕射和折射,改变海岸区域的水动力情况。针对XBeach模型进行扩展以提高波浪绕射作用下波浪场、流场和岸滩演变的预测精度,并利用双突堤绕射试验对模型进行验证,数值计算结果与实测结果吻合较好。同时开展了坡度为1∶50的理想平直海滩（含离岸堤）的演化数值试验,试验结果表明改进后岸滩演变更加合理。基于拓展的XBeach模型建立了考虑工程量的离岸堤群防护效果评价体系,同时在特定条件下对口门宽度及离岸堤高度对平直沙质海岸可能产生的影响进行了模拟和分析,并给出了该条件下的最优方案。所提出的指标区别于以往学者对离岸堤后沙质海滩的形态演变研究,具有较高的实际工程应用价值。     

波浪作用下沉降型憎水性污染物床面释放机理研究:以二氯甲烷为例

以沉降型憎水性污染物为代表的危险化学品突发性水污染事故发生后,大部分污染物将以液态形式沉积于河床表面,这些物质将作为内源性污染源,缓慢地释放进入水体,持续性地导致区域水质严重污染。选取二氯甲烷为对象,通过波浪水槽实验分析了不同波浪要素(波高、波周期等)对其释放强度的影响程度及响应关系,并建立了释放通量与各波浪动力学因子间的数学回归模型。结果表明：波浪扰动将引起以二氯甲烷为代表的沉降型憎水性污染物明显释放;DCM悬浮颗粒总体积浓度(TVC)总体上随波高的增大而变大,随着波周期的增大而减小;相同波周期情况下,释放通量与波高呈显著指数正相关(R²>0.973);相同波高情况下,释放通量与波周期呈显著对数负相关关系(R²>0.967);进一步建立了释放通量与床面波切应力、床面波浪能量损耗率、近底波浪质点水平速度最大值、单宽总波能及波陡的数学回归模型。该研究可为沉降型憎水性污染物水质预报的源强确定提供理论依据及计算方法,进而为完善该类污染物水质预报及风险预警的理论体系提供思路及方法。     

完整物理过程下南黄海浮游生态动力学数值研究 Ⅰ.模型建立

为了对南黄海进行生态动力学模型研究,不但需要选取合理的生态变量和生化过程及过程参数,而且还需要模型能够客观地再现该海域关键的物理过程。在建立波浪-环流-潮流共同作用的中国近海水动力模型的基础上,建立完整物理过程下的南黄海三维浮游生态动力学模型,旨在通过数值模拟认识南黄海的生态动力特征,并探讨关键的物理过程对生态的影响,特别是潮流和波浪混合对浮游植物时空分布的作用机制。本文先给出理论模型及模型配置。     

完整物理过程下南黄海浮游生态动力学数值研究I.模型建立

为了对南黄海进行生态动力学模型研究,不但需要选取合理的生态变量和生化过程及过程参数,而且还需要模型能够客观地再现该海域关键的物理过程.在建立波浪-环流-潮流共同作用的中国近海水动力模型的基础上,建立完整物理过程下的南黄海三维浮游生态动力学模型,旨在通过数值模拟认识南黄海的生态动力特征,并探讨关键的物理过程对生态的影响,特别是潮流和波浪混合对浮游植物时空分布的作用机制.本文先给出理论模型及模型配置.     

从内波SAR图像中提取跃层深度和内波振幅的非线性方法

针对SAR图像进行内波参数提取方法的不足:非线性方法将跃层深度作为已知量,将跃层深度作为未知量却用了线性方法.本文将根据非线性内波KdV方程的频散关系,结合半日潮假定并利用从SAR图像上得到的半波宽度,提出了非线性框架下同时从内波SAR图像反演内波振幅及跃层深度的方法.然后利用实测数据和内波SAR图像数据对此方法进行了分析,所得结果较理想.最后根据倾斜底地形内波波包的周期验证了文中所用半日潮假定的正确性.     

流作用下泥沙悬浮释放污染物的数值分析

基于一维垂向模型(1DV模型),建立了波流共同作用下泥沙悬浮释放污染物的数学模型,模型通过验证可较好的描述床面附近紊动特性、水流结构、泥沙垂向分布及污染物解吸释放规律. 利用数学模型,通过设置不同的模拟情景,分析计算了波流共同作用下泥沙悬浮特征、污染物释放动态过程及时空分布特征. 研究表明: 波流共同作用下,吸附态污染物及总污染物垂向分布与悬浮泥沙分布一致,波浪底部边界层的周期性振荡限制了从底部悬扬的泥沙向上部水体的扩散,在近床面存在梯度较大的高浓度层,在悬浮释放的初期,溶解态污染物的垂向分布规律与吸附态污染物一致,达到平衡后,沿垂向均匀分布.水流流速和波浪强度对泥沙悬浮释放污染物有着不同程度的影响,水流对泥沙及污染物的垂向分布影响明显,波浪的影响主要体现在床面附近形成高浓度含沙层和污染物层.     

分层水环境曝气诱导形成内波的过程与特性

采用分层水库模型,在平均温度梯度为0.37℃/cm条件下,开展了系统的曝气诱导内波的中试研究.分析了曝气诱导形成内波的过程,探究了曝气诱导形成内波的类型,重点揭示了曝气扰动源形式和跃温层厚度对内波形成过程和特性的影响.实验结果表明：扬水曝气产生的气水两相流是一种非定常的周期性扰动源,气水两相流的尾迹带动整个模型水体上下振动,这种振动在分层水体跃温层处诱导形成内波.从激发源角度上说,它是一种尾迹效应波.气弹释放周期在44.06～58.69s之间时,内波波高达到最大,当气弹释放周期达到180s时不能形成连续的内波;曝气器出流口增大,内波波高、周期呈增大趋势.分层水体的跃温层厚度也影响内波的形成,相同温度梯度条件下,随着跃温层厚度的增加,内波的波高、周期随之增大.     

带坞舱船舶尾舱消浪装置消浪性能研究

目的 带坞舱船舶尾部具有与外界连通的自由液面,由于船舶运动会在坞舱内产生波浪,形成有害的波浪砰击,影响舱内装备的正常作业。针对这一问题,系统地对带坞舱船舶尾舱内的消浪方案进行模拟与优化,提出一套具有良好消浪性能的消浪装置方案。方法 以荷兰皇家海军两栖运输船为目标进行三维建模,使用CFD方法对其进行不同波浪下船舶响应模拟和分析,监测船舶的运动响应和舱内多个监测点的波高情况,使用多孔挡板为基础,给出一套消浪装置,并进行带有消浪装置方案的船舶响应模拟,评估该消浪装置方案的消浪性能。结果 对舱内首端和侧壁布置多孔板消浪装置,消浪效果可达40%~50%,验证了该消浪装置的可行性。结论 采用多孔介质区域模型对带有多孔介质消浪装置的整船进行数值模拟,在计算效率远高于对实际物理模型建模的同时,可以得到较好的消浪效果。     

基于空腔流动理论的市政消火栓盲端铁迁移扩散机理研究

市政消火栓滞水严重，存在积累扩散亚铁离子（Fe²⁺）的问题，可能引发"红水"现象，威胁供水卫生安全.以往的管网水质模拟缺少对消火栓盲端支管的研究，难以准确模拟消火栓铁释放现象，使得计算精确度不足.针对上述问题，本研究尝试运用空腔流动机理分析市政消火栓构成的盲端支管内Fe²⁺迁移扩散现象，结合扩散实验和数值模拟，构建盲端支管Fe²⁺扩散的流体力学模型，定量分析管长、管径、流速等因素的影响规律，为精确模拟消火栓水质提供参考.     

流域系统优化调控的新模型与应用

流域系统具有复合性和非线性特征,其机理过程的数值描述本身也存在随机和认知不确定性.在此前提下,如何优化调控流域系统,实现水质改善和水生态系统健康成为当前水资源、水环境及水生态领域亟待解决的突出问题.本文提出了贝叶斯递归回归树模型和区间不确定性的风险决策分析方法,与强化区间线性规划结合形成了新的不确定性＂模拟-优化＂间接耦合模型,实现流域系统优化调控及风险决策方案.上述方法将应用于美国佛杰尼亚州Chesterfield县Swift Creek水库营养盐TMDL分配方案,确定8个子流域的最小负荷分配以实现叶绿素a浓度达标.结果表明该耦合模型既能表征流域系统特征,也能兼顾不确定性模拟的准确度、计算效率以及不确定性优化与风险决策的解空间全局最优性、绝对可行性,为流域系统优化调控及其未来非线性系统的预测与最优控制提供了新的计算工具.     

基于多核LS-SVM的河涌水质预测模型

研究了多变量非线性河涌水质预测问题,提出了多核最小二乘支持向量机河涌水质预测模型。模型采用协同结构的非线性函数将水质时序样本映射到高维特征空间,进行多元线性回归。然后将该回归问题转化成半无限线性规划问题,运用交换集法求解。文章利用东江流域河涌水质数据进行了拟合预测实验,结果表明,与单核最小二乘支持向量机河涌水质预测模型相比,多核模型的预测误差减小了23%以上,它较单核模型具有更高的预测精度和更好的泛化推广性能。