双振荡水柱波能转换装置波能俘获特性数值模拟研究

1

作者 杨毅 杨韬略 +5 位作者 郭欣然 刘志刚 王红星 陈文 刘石 周宇 《船舶力学》 北大核心 2025年第4期585-596,共12页

振荡水柱(OWC)波能转换装置具有结构简单、易于维护等优点,因此受到了全世界的关注。然而,该装置仍然面临着能量转换效率低和有效频带宽度窄等问题。本文对离岸双OWC阵列装置的波能俘获性能进行数值模拟研究。基于势流理论,在OWC波能装... 振荡水柱(OWC)波能转换装置具有结构简单、易于维护等优点,因此受到了全世界的关注。然而,该装置仍然面临着能量转换效率低和有效频带宽度窄等问题。本文对离岸双OWC阵列装置的波能俘获性能进行数值模拟研究。基于势流理论,在OWC波能装置气室的一阶和二阶自由表面边界上引入气动阻尼和人工阻尼,建立可考虑气液耦合的非线性气动模型。为了验证数值模型的准确性,进行水槽物理模型试验,并将数值结果与试验结果进行对比,发现两者吻合良好。研究结果显示:阵列装置之间的多重绕射波浪会导致装置的气室共振频率发生偏移;合理布置阵列装置有助于提升OWC波能装置的相对俘获宽度和有效频带宽度,最大可分别提升61.7%和24.5%。 展开更多

关键词 离岸振荡水柱波能转换装置 阵列装置 波能俘获 高阶边界元 物理实验

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非线性波浪与柔性水面漂浮式光伏结构作用的数值模拟 被引量：3

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作者 吴勇虎 于邦廷 +3 位作者 梁爽 于广欣 李元芳 张一平 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2024年第5期1-9,共9页

大型水面漂浮式光伏系统具有水平面积大、垂向抗弯刚度低的特点,在外海波浪作用下,柔性光伏系统的水弹性运动响应较大。针对漂浮式柔性光伏结构的特点,建立了二阶非线性波浪与柔性漂浮式光伏耦合作用的频域数值模型,基于模态展开法实现... 大型水面漂浮式光伏系统具有水平面积大、垂向抗弯刚度低的特点,在外海波浪作用下,柔性光伏系统的水弹性运动响应较大。针对漂浮式柔性光伏结构的特点,建立了二阶非线性波浪与柔性漂浮式光伏耦合作用的频域数值模型,基于模态展开法实现结构运动与流体作用的解耦。其中,柔性漂浮式光伏结构的水弹性运动响应利用经典欧拉-伯努利梁振动方程模拟,流体域利用二维Rankine源及关于海底的镜像作为格林函数建立边界积分方程,采用高阶边界元方法求解。通过对比验证,建立的耦合模型具有较好的精度。利用该模型计算分析了不同波高和结构抗弯刚度时的结构运动响应,发现非线性波浪力引起的结构运动响应不可忽略。还研究了波浪周期和结构抗弯刚度对结构弹性变形的影响规律:波浪周期越大,结构的弹性变形越由低阶模态占主导,结构运动幅值分布越平缓;结构抗弯刚度越小,结构的弹性变形包含越多高阶模态成分,结构运动幅值分布波动越大。 展开更多

关键词 非线性波浪 高阶边界元方法 弹性板 模态展开法 抗弯刚度 漂浮式光伏结构

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水流对聚焦波特性影响的数值模拟 被引量：6

3

作者 宁德志 卓晓玲 +1 位作者 滕斌 陈兵 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第5期555-561,共7页

为了研究水流对聚焦波浪特性的影响规律,利用势流理论建立了聚焦波和水流混合作用的完全非线性数值水槽模型,在时域内利用高阶边界元方法进行模拟,并采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面.通过实时模拟造波板运动在均匀水流中产... 为了研究水流对聚焦波浪特性的影响规律,利用势流理论建立了聚焦波和水流混合作用的完全非线性数值水槽模型,在时域内利用高阶边界元方法进行模拟,并采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面.通过实时模拟造波板运动在均匀水流中产生聚焦波浪.通过对比发现,该数学模型可以准确模拟聚焦波浪的传播变形过程,并进一步研究了水流对聚焦波的影响,包括对聚焦波浪峰值、聚焦位置和聚焦时间的影响等. 展开更多

关键词 聚焦波 波流混合作用 高阶边界元方法

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快速多极子展开技术在高阶边界元方法中的实现 被引量：8

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作者 宁德志 滕斌 勾莹 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第6期700-704,共5页

高阶边界元法以较常数元方法计算精度高存储低而在工程计算中得到了广泛的应用,但由于其平方存储和计算量的本质,无法应用于大型工程问题中。本文将快速多极子方法(FMM)应用于高阶边界元中从而使其计算量和存储量分别降为O(N log N)和O... 高阶边界元法以较常数元方法计算精度高存储低而在工程计算中得到了广泛的应用,但由于其平方存储和计算量的本质,无法应用于大型工程问题中。本文将快速多极子方法(FMM)应用于高阶边界元中从而使其计算量和存储量分别降为O(N log N)和O(N)。通过无限区域中水流绕射算例的数值计算,对FMM高阶边界元法与传统高阶边界元法的运算速度和内存消耗进行了分析对比,结果表明对于大型计算问题FMM高阶边界元算法更加有效。 展开更多

关键词 高阶边界元 多极子展开法 计算量 存储量

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无限水深聚焦波完全非线性数值模拟 被引量：4

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作者 宁德志 滕斌 +1 位作者 刘珍 周斌珍 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2008年第4期27-34,共8页

基于势流理论提出一种新的高阶边界元方法对无限水深的聚焦波浪进行完全非线性数值模拟。自由水面满足完全非线性边界条件,模拟波浪的非线性效果可以达到更高阶。利用镜像原理,建立一种全新的格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,... 基于势流理论提出一种新的高阶边界元方法对无限水深的聚焦波浪进行完全非线性数值模拟。自由水面满足完全非线性边界条件,模拟波浪的非线性效果可以达到更高阶。利用镜像原理,建立一种全新的格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,以致于两无限深水槽侧壁的积分可以被排除。为了产生相应的入射波和吸收出流波浪,一个由点源组成的造波装置被布置于计算域内,同时人工阻尼层被用来吸引出流波浪,由波浪聚焦的方法得到极限波浪。通过开展线性和完全非线性聚焦波浪的数值实验及与理论解对比,验证本数值模型可以用来模拟无限深水域的极限波浪,且在出流边界没有反射。 展开更多

关键词 镜像格林函数 无限水深 高阶边界元 完全非线性 聚焦波

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恒定流对潜堤波浪反射系数影响研究 被引量：3

6

作者 马朝晖 宁德志 于定勇 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2016年第3期105-113,共9页

为研究恒定均匀流对直立潜堤波浪反射系数的影响,采用了高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日时间步进方法更新瞬时自由水面,运用基于二次形状函数的网格重分方案结合四阶龙格库塔方法更新时间积分,并运用两点法得到淹没潜体前的反射系数... 为研究恒定均匀流对直立潜堤波浪反射系数的影响,采用了高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日时间步进方法更新瞬时自由水面,运用基于二次形状函数的网格重分方案结合四阶龙格库塔方法更新时间积分,并运用两点法得到淹没潜体前的反射系数。将数值模拟得到的波面数据与物理模型试验结果进行对比,两者吻合良好。通过数值模拟研究给出了入射波周期、水流流速、潜堤相对宽度和相对淹没深度对反射系数的影响。结果表明,水流流速和潜堤相对淹没深度对反射系数影响较大,潜堤相对宽度的影响相对较小;水流的存在会使入射波周期等参数对反射系数的影响程度发生改变,在实际工程设计时应考虑水流对潜堤防浪效果的影响。 展开更多

关键词 波流混合作用 直立潜堤 时域模拟 高阶边界元 波浪反射系数

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均匀流中双色波传播特性的模拟研究 被引量：2

7

作者 宁德志 石进 滕斌 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第3期402-407,共6页

针对双色波浪与均匀流相互作用问题,采用时域高阶边界元方法建立自由水面满足完全非线性边界条件的数学模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与已发表试验... 针对双色波浪与均匀流相互作用问题,采用时域高阶边界元方法建立自由水面满足完全非线性边界条件的数学模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与已发表试验结果对比,验证了本模型的准确性。通过数值计算研究了水流参数对各组成波及衍生的高阶波幅值、波浪和水流间能量交换的影响规律。 展开更多

关键词 双色波 均匀流 高阶边界元方法 时域模拟 谱方法

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无限水深内完全非线性数值波浪水槽建立 被引量：2

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作者 宁德志 滕斌 +1 位作者 勾莹 孙金丽 《大连理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第6期937-943,共7页

基于无旋、不可压的势流理论,利用高阶边界元法建立了一种可应用于无限水深的无粘三维完全非线性数值波浪水槽.研究中,自由水面条件为完全非线性边界条件,进而可以模拟任意强的非线性波浪.将镜像格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中... 基于无旋、不可压的势流理论,利用高阶边界元法建立了一种可应用于无限水深的无粘三维完全非线性数值波浪水槽.研究中,自由水面条件为完全非线性边界条件,进而可以模拟任意强的非线性波浪.将镜像格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,以至于两水槽侧壁可以排除于计算域外.为了产生相应的入射波和吸收出流波浪,一个由点源组成的造波装置被布置在计算域内,同时在出流边界布置人工阻尼层来吸收出流波浪.线性的和完全非线性数值实验验证了所建立的数值模型可以用来产生无限水深的任何指定波浪,计算结果与解析解吻合得很好,且在出流边界没有反射. 展开更多

关键词 数值波浪水槽 镜像格林函数 高阶边界元法 完全非线性

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FPSO水动力特性的完全非线性数值模拟 被引量：1

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作者 孙雷 陆婷婷 +1 位作者 邓潇潇 刘昌凤 《中国舰船研究》 CSCD 北大核心 2020年第1期95-106,共12页

[目的]为提高海洋结构物的安全性能,针对波浪与结构物相互作用的问题开展完全非线性数值模拟研究。[方法]基于三维完全非线性时域势流理论及高阶边界元法(HOBEM),建立波浪与结构物相互作用的开敞水域模型。采用速度势分离技术将整个问... [目的]为提高海洋结构物的安全性能,针对波浪与结构物相互作用的问题开展完全非线性数值模拟研究。[方法]基于三维完全非线性时域势流理论及高阶边界元法(HOBEM),建立波浪与结构物相互作用的开敞水域模型。采用速度势分离技术将整个问题分解为入射部分和散射部分,入射势由理论解给定。采用混合欧拉-拉格朗日(MEL)方法追踪瞬时自由水面的流体质点,并采用四阶龙格-库塔法对瞬时自由水面进行更新。引进虚拟函数计算波浪载荷,而非直接求解速度势的时间导数。在自由水面的外侧设置人工阻尼层,防止波浪从远场边界反射。自由水面网格仅在初始时刻生成一次,并采用弹簧近似法在不改变网格节点顺序的情况下对瞬时水面进行网格重构,以避免数值不稳定。[结果]在验证所提出数值模型有效性和精确性的基础上,针对某浮式生产储卸油轮(FPSO)模型的水动力特性进行数值模拟,发现考虑非线性影响时FPSO的运动响应在共振区段明显增大,证明了传统线性方法的预报结果趋于危险。[结论]研究成果既可为海洋浮式结构物的设计提供更可靠的预报工具,也可为其实际应用提供理论依据。 展开更多

关键词 时域 完全非线性 高阶边界元 混合欧拉-拉格朗日方法 水动力特性

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基于三维时域格林函数高阶面元法的船体运动计算 被引量：1

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作者 周文俊 朱仁传 陈曦 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2017年第z1期240-250,共11页

针对波浪中航行船体的运动问题,基于三维时域自由面格林函数并采用高阶面元离散,编程计算了浮体的运动响应.采用自由面格林函数,只需在船体湿表面布源,减少系数矩阵维度,避开自由面网格划分;同时高阶面元法(HOBEM)在计算速度势空间分布... 针对波浪中航行船体的运动问题,基于三维时域自由面格林函数并采用高阶面元离散,编程计算了浮体的运动响应.采用自由面格林函数,只需在船体湿表面布源,减少系数矩阵维度,避开自由面网格划分;同时高阶面元法(HOBEM)在计算速度势空间分布时能够提高精度.本文通过计算Wigley-Ⅲ型船在波浪中有航速前行时的运动,与实验进行对比,发现结果符合较好,证明这种方法的有效性. 展开更多

关键词 高阶面元法 时域格林函数 三维 有航速运动

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波浪对淹没水平圆柱作用的非线性数值模拟 被引量：1

11

作者 严斌 林红星 宁德志 《海洋科学进展》 CAS CSCD 北大核心 2013年第3期319-325,共7页

采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法建立了模拟波浪对淹没水平圆柱作用的二维完全非线性数值模型,运用两点分离法得到淹没潜体后的各个组成波的波浪形态。通过与已发表试验数据和解析解的对比,验证了本文模型的正确性。进而开... 采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法建立了模拟波浪对淹没水平圆柱作用的二维完全非线性数值模型,运用两点分离法得到淹没潜体后的各个组成波的波浪形态。通过与已发表试验数据和解析解的对比,验证了本文模型的正确性。进而开展数值试验研究分析得到强非线性条件下淹没圆柱后高阶自由波和锁定波与入射波参数、淹没水深等因素的变化规律。 展开更多

关键词 完全非线性 高阶边界元 两点分离法 高阶自由谐波 淹没水平圆柱

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基于二阶时间步进法数值波浪水槽研究 被引量：1

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作者 周斌珍 宁德志 滕斌 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2011年第3期50-58,共9页

基于势流理论和时域高阶边界元方法,建立了三维完全非线性数值波浪水槽模型。利用源造波法产生入射波浪,应用五阶斯托克斯波理论给定波浪速度;采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,将二阶泰勒级数展开法应用于更新下一时间步的... 基于势流理论和时域高阶边界元方法,建立了三维完全非线性数值波浪水槽模型。利用源造波法产生入射波浪,应用五阶斯托克斯波理论给定波浪速度;采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,将二阶泰勒级数展开法应用于更新下一时间步的波面和速度势;通过加速势的方法准确计算自由水面速度的法向导数和物面速度势的时间导数。对完全非线性波浪进行了模拟,得到了稳定的波形。当波浪非线性较小时,与四阶Runge-Kutta法(RK4)计算结果和五阶斯托克斯波理论解均吻合良好;随着波浪非线性的增大,计算结果误差逐渐增大。通过数值试验分析,在满足精度要求的基础上,本方法计算时间略大于四阶Runge-Kutta法的四分之一,大大减少了计算量。 展开更多

关键词 二阶泰勒级数展开 源造波法 五阶斯托克斯波 数值波浪水槽 高阶边界元

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布拉格共振条件下的高阶谐波特性研究

13

作者 张时斌 宁德志 +2 位作者 陈丽芬 张崇伟 滕斌 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期753-760,共8页

为了考虑波浪在周期性地形上传播时诱发的布拉格共振现象和高阶谐波之间的相互影响,本文基于时域高阶边界元方法,建立二维完全非线性数值波浪水槽,数值研究布拉格共振条件下周期性地形诱发的高阶谐波特性。研究发现:随着潜体高度增加,... 为了考虑波浪在周期性地形上传播时诱发的布拉格共振现象和高阶谐波之间的相互影响,本文基于时域高阶边界元方法,建立二维完全非线性数值波浪水槽,数值研究布拉格共振条件下周期性地形诱发的高阶谐波特性。研究发现:随着潜体高度增加,二阶自由波透射系数呈现先增大后减小的趋势,而其反射系数则持续增大。同时,随着潜体长度增加,二阶自由波透反射系数均呈现增大的趋势,并最终各自稳定于一定值附近振荡。在布拉格共振条件下,除了普遍认为的自由波,二阶锁定波也将发生共振反射现象;此外,在布拉格共振条件下,周期性地形迎浪侧的二阶谐波波幅会出现“拍”和“寄生拍”的组合现象,使得迎浪侧波浪场更为复杂,并增加极端大波出现的概率。 展开更多

关键词 高阶谐波 布拉格共振 高阶边界元 完全非线性数值水槽 自由波 锁定波 周期性地形 反射系数 透射系数

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