| Инд. авторы: | Нуднер И.С., Семенов К.К., Лебедев В.В., Хакимзянов Г.С., Захаров Ю.Н. |
| Заглавие: | Численная модель гидроволновой лаборатории для исследования взаимодействия морских волн с гидротехническими сооружениями |
| Библ. ссылка: | Нуднер И.С., Семенов К.К., Лебедев В.В., Хакимзянов Г.С., Захаров Ю.Н. Численная модель гидроволновой лаборатории для исследования взаимодействия морских волн с гидротехническими сооружениями // Вычислительные технологии. - 2019. - Т.24. - № 1. - С.86-105. - ISSN 1560-7534. - EISSN 2313-691X. |
| Внешние системы: | DOI: 10.25743/ICT.2019.24.1.007; РИНЦ: 37092577; SCOPUS: 2-s2.0-85081970761; |
| Реферат: | rus: Рассмотрены вопросы, связанные с построением и областью применения численной модели гидроволновой лаборатории как инструмента, позволяющего в некоторых ситуациях отказаться от физического моделирования и заменить его численным, удешевить и ускорить ряд этапов проектных работ в гидротехническом строительстве. Представлены математические модели и численные алгоритмы, которые могут войти в состав численной лаборатории и использоваться для численного моделирования процессов генерации поверхностных волн, их распространения и взаимодействия с прибрежными и морскими сооружениями. Перечислены требования к программному обеспечению численной модели гидроволновой лаборатории, выполнение которых позволит эффективнее использовать этот инструмент инженерами-гидротехниками при проектировании гидротехнических сооружений. eng: In the design of hydraulic structures and facilities of the coastal infrastructure, one of the main methods of confirming the claimed characteristics of the constructed facilities is the implementation of physical modelling in special hydrowave laboratories. However, the use of physical modelling as a tool for determining the most rational characteristics and parameters of hydraulic structures is very limited due to the high cost and, as a rule, the high complexity of the relevant studies. For this reason, it is virtually impossible to resort to this type of study in situations where a significant number of different project options need to be sorted out. The way out of the situation is the use of numerical modelling methods that allow you to choose the most suitable option. In fact, there is a need for a numerical model of the hydrowave laboratory, which allows abandoning the physical modelling in appropriate situations and replacing it with a numerical one. In this case, it will be possible to achieve important advantages: to reduce the cost and speed up the process of choosing the rational parameters of the design solution in hydraulic engineering, to give sufficient justification for the decision before its final verification by physical modelling. Thus, the combination of numerical studies of the proposed design solutions and physical modelling of the final result in order to confirm compliance with the requirements meets the needs of design studies in hydraulic engineering. In this paper, we consider the issues related to the construction and the domain of the numerical model of the hydrowave laboratory, as a tool that allows in some situations to abandon the physical modelling and replace it with a numerical one. Mathematical models and numerical algorithms that can be included in the numerical laboratory and used for numerical simulation of the processes of generation of surface waves, their propagation and interaction with coastal and marine structures are presented. The requirements are given for the software of the numerical model of the hydrowave laboratory, the implementation of which will ensure the effective use of this tool by hydraulic engineers in the design of hydraulic structures. Examples of successful use of mathematical technology to improve the efficiency of laboratory research are given. |
| Ключевые слова: | физическое моделирование; волнопродуктор; волновой бассейн; волновой лоток; гидротехническое сооружение; numerical algorithm; mathematical model; physical modelling; wavemaker; wave basin; Wave flume; hydrotechnical structure; численный алгоритм; математическая модель; |
| Издано: | 2019 |
| Физ. характеристика: | с.86-105 |
| Цитирование: | 1. Vyzikas, T., Stagonas, D., Buldakov, E., Greaves, D. The evolution of free and bound waves during dispersive focusing in a numerical and physical flume//Coastal Engineering. 2018. Vol. 132. P. 95-109. 2. Riefolo, L., Contestabile, P., Vicinanza, D. Seiching induced by bichromatic and monochromatic wave conditions: experimental and numerical analysis in a large wave flume//J. of Marine Science and Engineering. 2018. Vol. 6, No. 2. Paper 68. 3. Troch, P.A., De Rouck, J. Development of two-dimensional numerical wave flume for wave interaction with rubble mound breakwaters//Proc. of the Coastal Engineering Conf. 1998. Vol. 2. P. 1638-1649. 4. Isobe, M., Takahashi, S., Yu, S.P. et al. Interim development of a numerical wave flume for maritime structure design//Proc. of Civil Engineering in the Ocean. 1999. Vol. 15. P. 321-326. 5. Dong, C.M., Huang, C.J. Generation and propagation of water waves in a two-dimensional numerical viscous wave flume//J. of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2004. Vol. 130, No. 3. P. 143-153. 6. Synolakis, C.E., Bernard, E.N., Titov, V.V. et al. Standards, criteria, and procedures for NOAA evaluation of tsunami numerical models: NOAA Techn. Memorandum OAR PMEL-135. USA, Seattle, WA: Pacific Marine Environm. Lab. 2007. 60 p. 7. Камынин Е.Ю., Максимов В.В., Нуднер И.С. и др. Исследование взаимодействия уединенной волны с частично погруженным неподвижным сооружением//Фундамент. и прикл. гидрофизика. 2010. № 4(10). C. 39-54. 8. Бабчик Д.В., Максимов В.В., Нуднер И.С. и др. Численное и экспериментальное исследования взаимодействия периодических волн с откосным сооружением сложного профиля//Тр. XI Всерос. конф. "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики". СПб.: Наука, 2012. С. 198-200. 9. Nakamura, T., Kuramitsu, Y., Mizutani, N. Tsunami scour around a square structure//J. of Coastal Engineering. 2008. Vol. 50, No. 2. P. 209-246. 10. Yeh, H., Tonkin, S., Heller, E. et al. Mechanisms of scour induced by tsunami runup//Proc. of Second Intern. Conf. on Scour and Erosion. Singapore: Meritus Mandarin, 2004. Vol. 2. P. 464-471. 11. Gaydarov, N.A., Zakharov, Y.N., Ivanov, K.S. et al. Numerical and experimental studies of soil scour caused by currents near foundations of gravity-type platforms//Proc. of the 2014 Intern. Conf. on Civil Engineering, Energy and Environment (CEEE 2014). Hong Kong, 2014. P. 190-196. 12. Synolakis, C.E. The runup of long waves: Ph.D. Thesis. Pasadena, California Institute of Technology, 1986. 228 p. 13. Synolakis, C.E. The runup of solitary waves//J. of Fluid Mechanics. 1987. Vol. 185, No. 6. P. 523-545. 14. Hall, J.V., Watts, J.W. Laboratory investigation of the vertical rise of solitary waves on impermeable slopes//Technical Memorandum No. 33. Beach Erosion Board, U.S. Army Corps of Engineers, 1953. 14 p. 15. Pedersen, G., Gjevik, B. Run-up of solitary waves//J. of Fluid Mechanics. 1983. Vol. 135. P. 283-299. 16. Yeh, H., Liu, P., Synolakis, C.E. Long-wave runup models. Singapore: World Sci. Publ., 1996. 403 p. 17. Kanoglu, U. The runup of long waves around piecewise linear bathymetries: Ph.D. Thesis. Los Angeles, California, Univ. of Southern California, 1998. 273 p. 18. Kanoglu, U., Synolakis, C.E. Long wave runup on piecewise linear topographies//J. of Fluid Mechanics. 1998. Vol. 374. P. 1-28. 19. Briggs, M.J., Synolakis, C.E., Harkins, G.S., Green, D.R. Laboratory experiments of tsunami runup on circular island//Pure and Applied Geophysics. 1995. Vol. 144, No. 3/4. P. 569-593. 20. Liu, P.L.-F., Cho, Y.-S., Briggs, M.J. et al. Runup of solitary waves on a circular island//J. of Fluid Mechanics. 1995. Vol. 302. P. 259-285. 21. Takahashi, T. Benchmark problem 4. The 1993 Okushiri tsunami -data, conditions and phenomena//Long-Wave Runup Models/Eds H. Yeh, P.L.-F. Liu, C.E. Synolakis. Singapore: World Sci. Publ., 1996. P. 384-403. 22. Liu, P. L.-F., Yeh, H., Synolakis, C. Benchmark Problems//Advances in Coastal and Ocean Engineering. Vol. 10: Advanced Numerical Models for Simulating Tsunami Waves and Runup. Singapore: World Sci. Publ., 2011. P. 223-230. 23. Kato, F., Sato, S., Yeh, H. Large-scale experiment on dynamic response of sand bed around a cylinder due to tsunami//Proc. of 27th Intern. Conf. on Coastal Engineering. ASCE, Sydney, Australia, 2000. P. 1848-1859. 24. Tonkin, S., Yeh, H., Kato, F., Sato, S. Tsunami scour around a cylinder//J. of Fluid Mechanics. 2003. Vol. 496. P. 165-192. 25. Young, Y.L., Xiao, H., Maddux, T. Hyro-and morphodynamic modeling of breaking solitary waves over a fine sand beach. Pt I: Experimental study//Marine Geology. 2010. Vol. 269, No. 3-4. P. 119-131. 26. Kobayashi, N., Lawrence, A.R. Cross-shore sediment transport under breaking solitary waves//J. of Geophysical Research. 2004. Vol. 109. C030047. 27. Chen, J., Huang, Z.H., Jiang, C.B. et al. An experimental study of changes of beach profile and man grain size caused tsunami-like waves//J. of Coastal Research. 2012. Vol. 28, No. 5. P. 1303-1312. 28. Chen, J., Huang, Z., Jiang, C. et al. Tsunami-induced scour at coastal roadways: a laboratory study//Natural Hazards. 2013. Vol. 29. Tsujimoto, G., Yamada, F., Kakinoki, T. Time-space variation and spectral evolution of sandy beach profiles under tsunami and regular waves//Proc. of the Intern. Offshore and Polar Engineering Conf., Vancouver, Canada, 2008. P. 523-527. 30. Sumer, B.M., Sen, M.B., Karagali, I. et al. Flow and sediment transport induced by a plunging solitary wave//J. Geophysical Research. 2011. Vol. 116. Paper C01008. 31. Nakamura, T., Kuramitsu, Y., Mizutani, N. Tsunami-induced local scour around a square structure//Proc. of the Solutions to Coastal Disasters Congress. ASCE, Sydney, Australia, 2008. P. 106-117. 32. Young, Y.L., Xiao, H., White, J.A., Borja, R.I. Can tsunami drawdown lead to liquefaction failure of coastal sandy slopes?//The 14th World Conf. on Earthquake Engineering, Beijing, China. 2008. Available at: http://www.14wcee.org/Proceedings/isv7/main.htm 33. Yim, S., Yeh, H., Cox, D., Pancake, C. A shared-use large-scale multidirectional wave basin for remote tsunami research//The Thirteenth World Conf. on Earthquake Engineering, Vancouver, Canada, 2004. Paper 1517. 34. Madsen, P.A., Fuhrman, D.R., Sch¨affer, H.A. On the solitary wave paradigm for tsunamis//J. of Geophysical Research. 2008. Vol. 113, iss. C12. Paper C12012. 35. Захаров Ю.Н., Зимин А.И., Стуколов С.В. и др. Численное моделирование работы лабораторного волнопродуктора одиночных волн на воде//Тр. Третьей междунар. конф. "Полярная механика", Владивосток, 2016. С. 954-964. 36. Zakharov, Y., Zimin, A., Ragulin, V. Two-component incompressible fluid model for simulating surface wave propagation//Math. Modeling of Technolog. Processes. 2015. Vol. 549. P 201-210. 37. Zakharov, Y.N., Zimin, A.I. Numerical simulation of surface waves arising from underwater landslide movement//Conf. Proc. "Mathematical and Information Technologies MIT-2016". 2017. P. 535-546. 38. Нуднер И.С., Семенов К.К., Хакимзянов Г.С., Шокина Н.Ю. Исследование взаимодействия длинных морских волн с сооружениями, защищенными вертикальными экранами//Фундамент. и прикл. гидрофизика. 2017. Т. 10, № 4. С. 31-43. 39. Афанасьев К.Е., Стуколов С.В. Численное моделирование работы опытового генератора одиночных поверхностных волн//Вестн. КемГУ. 2013. № 3(55). С. 6-14. 40. Khakimzyanov, G., Dutykh, D., Fedotova, Z., Mitsotakis, D. Dispersive shallow water wave modelling. Pt I: Model derivation on a globally flat space//Commun. in Comput. Physics. 2018. Vol. 23, No. 1. P. 1-29. 41. Афанасьев К.Е., Березин Е.Н. Анализ динамических характеристик при взаимодействии уединенной волны с препятствием//Вычисл. технологии. 2004. Т. 9, № 3. С. 22-38. 42. Численное моделирование течений жидкости с поверхностными волнами/Г.С. Хакимзянов, Ю.И. Шокин, В.Б. Барахнин, Н.Ю. Шокина. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 394 c. 43. Гусев О.И., Шокина Н.Ю., Кутергин В.А., Хакимзянов Г.С. Моделирование поверхностных волн, генерируемых подводным оползнем в водохранилище//Вычисл. технологии. 2013. Т. 18, № 5. С. 74-90. 44. Гусев О.И. Алгоритм расчета поверхностных волн над подвижным дном в рамках плановой нелинейно-дисперсионной модели//Вычисл. технологии. 2014. Т. 19, № 6. С. 19-40. 45. Камынин Е.Ю., Максимов В.В., Нуднер И.С. и др. Численное и экспериментальное исследования воздействия уединенной волны на частично проницаемые сооружения//Тр. X Всерос. конф. "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики". СПб.: Наука, 2010. С. 193-196. 46. Камынин Е.Ю., Максимов В.В., Нуднер И.С. и др. Взаимодействие поверхностных волн с частично заглубленным экраном//Тр. Междунар. конф. "Математические и информационные технологии, MIT-2011". Белград, 2012. С. 180-185. 47. Нуднер И.С., Семенов К.К. Волновое давление на подводный уступ в составе морского гидротехнического сооружения//Cб. тр. XXV Междунар. науч. конф. "Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-25". 2012. Т. 9. С. 108-110. 48. Елецкий С.В., Майоров Ю.Б., Максимов В.В. и др. Моделирование генерации поверхностных волн перемещением фрагмента дна по береговому склону//Вычисл. технологии. 2004. Т. 9, специальный выпуск, ч. 2. С. 194-206. 49. Chubarov, L.B., Eletskij, S.V., Fedotova, Z.I., Khakimzyanov, G.S. Simulation of surface waves generation by an underwater landslide//Russ. J. of Numer. Analysis and Math. Modelling. 2005. Vol. 20, No. 5. P. 425-437. 50. Shokin, Yu.I., Fedotova, Z.I., Khakimzyanov, G.S. et al. Modelling surfaces waves of generated by a moving landslide with allowance for vertical flow structure//Russ. J. of Numer. Analysis and Math. Modelling. 2007. Vol. 22, No. 1. P. 63-85. 51. Афанасьев К.Е., Максимов В.В., Нуднер И.С. и др. Численное моделирование работы опытового волнопродуктора одиночных волн//Тр. XI Всерос. конф. "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики". СПб.: Наука, 2012. С. 201-203. |
