弧板式透空堤消浪性能影响因素数值研究

弧板式透空堤是由弧型板组成的新型防波堤结构。为探讨其透射系数的影响因素,利用Fluent软件基于N-S方程构建了波浪与板式透空堤相互作用的数值模型,讨论了相对潜深、入射波周期、相对波高、相对板宽和结构型式对透射系数的影响。结果表明:弧板式透空堤的透射系数随着相对波高和入射波周期的增大而增大,在静水面附近透射系数最小,尤以静水面和略高于静水面时的消浪效果最佳;在相同波浪要素条件下,静水面及其上0.02 m和0.04 m位置处,弧板式透空堤的消浪效果明显优于平板式透空堤。     

海岸破碎带植物消浪数值模拟研究

沿海防浪林能形成柔性的植物消浪体系,可以有效降低风暴潮灾害。由于防浪林消浪效果受波浪、近岸水深及植物等多重因素的影响,消浪机理较为复杂,以往的系统研究成果较少。本文以立面二维自由面紊流模型为工具,建立了基于植物冠层特征的多孔介质模型,精细地模拟了破碎波对植物带的冲击,并与物理模型试验结果进行了对比验证,计算分析了植物带宽度、植物密度、滩地水深等因素对消浪效果的影响。     

基于弱非线性RIDE模型的植物消浪数值模拟研究

通过基于考虑波浪非线性频散关系的椭圆型缓坡方程数学模型(RIDE),在原高阶的控制方程中添加植物阻力项,建立了模拟植物区波浪传播的数学模型(RIDE-VEG)。将计算结果与规则波在植物场中变形的水槽试验数据进行比较,验证良好,并分析了植物区特征参数对于波浪传播的影响。针对相对淹没度、植物密度和波浪周期等因素对波高衰减的影响进行敏感性分析,结果表明其三者对于消浪效果的影响是单调的,但消浪效果对于波浪周期的敏感程度则较其余二者为弱。与其他学者的研究相比,忽略流场效应的RIDE-VEG模型较其它的模型计算更为简便,且计算结果较为满意。     

非淹没刚性植物对规则波传播变形影响实验研究

在海岸带种植红树林等水生植物可以有效的减小波浪对岸滩的破坏,系统全面地研究植物对波浪传播变形的影响是非常必要的。基于波浪水槽实验,探讨了规则波通过非淹没刚性植物波高的沿程变化,分析了水深、入射波高、植物模型密度及分布方式对反射系数、透射系数与波浪衰减系数的影响,同时与孤立波实验数据进行对比。实验结果表明,随着水深的增加,规则波的透射系数增加、反射系数和波能衰减系数减小;随着入射波高的增加,规则波的透射系数减小,反射系数和波能衰减系数增加。在分布方式相同的情况下,植物模型分布密度增加,规则波的反射系数和波能衰减系数增加,透射系数减小。在规则波入射方向上模型布置越紧密,规则波反射系数和波能衰减系数越大,透射系数越小。分析讨论了植物模型对规则波和孤立波的影响,在入射波要素相同的情况下,孤立波和规则波的能量衰减在50%左右,说明植物模型具有良好的消波作用。     

透空管式防波堤透射系数及反射系数的试验研究

对透空管式防波堤的消浪性能进行了研究,通过进行物理模型试验,深入探讨了管道防波堤的堤顶宽度、斜率、波陡对防波堤消浪效果的影响,得出了该结构的反射系数及透射系数与各影响参数间的关系。研究结果表明,堤顶宽度为1.2Hm,斜率为1∶1.5的模型消浪效果较好。     

双浮箱式浮式防波堤消浪性能试验研究

浮式防波堤在港口海岸工程、近海工程、海洋工程和水产养殖等诸多领域有广阔的应用前景。与单浮箱式浮式防波堤相比,多浮箱式浮式防波堤可提高其消浪性能。对双浮箱式浮式防波堤进行了二维波浪物理模型试验,分析了浮箱宽度、前后浮箱连接方式、前后浮箱间距以及浮箱入水深度等因素对浮式防波堤消浪性能的影响。研究结果表明:对于单浮箱式浮式防波堤,试验范围内浮箱宽度增大一倍后消浪效果改善并不相对明显;前后浮箱刚性连接的双浮箱式浮堤的波浪透射系数均小于前后浮箱自由的双浮箱式浮堤和相同浮箱宽度的单浮箱式浮堤,浮堤消浪性能提高;由于前后浮箱相对间距太大时前后浮箱的相互作用减弱,浮堤的波浪反射系数变小,而不同前后浮箱相对间距的波能损耗系数整体上差别较小,双浮箱式浮堤的波浪透射系数整体上随着前后浮箱相对间距D/2B的增大先减小然后变大,在相对间距D/2B为1.0~1.5时双浮箱式浮堤的波浪透射系数相比最小;不同波高和波浪周期下,浮堤的波浪透射系数均随着浮箱相对入水深度的增大而减小。     

规则波作用下簇状沉水植物群消浪特性实验

在理论分析的基础上通过物理模型实验探究了规则波与簇状沉水植物群的相互作用。结果表明,植物群沿程波高衰减规律在多数情况下与Kobayashi指数形式和Dalrymple幂函数形式波高衰减理论模型吻合较好,少数情况下波高衰减集中在植物群后半部分,与上述理论模型并不一致。在植物淹没度等于0.4条件下,植物群沿程波高出现较多壅高现象,且相对壅高值随入射波高的增大而减小;植物群的规则波透射系数变化情况与入射波周期、相对波高、植物淹没度以及植物分布密度等因素相关。当入射波周期等于1.0 s时,透射系数随相对波高的增大而减小,周期大于1.0 s时,透射系数随相对波高的增大出现较强的波动性。本文提出了规则波透射系数与水动力因素及植物因素之间的关系式,得到了近岸簇状沉水植物群消浪特性的基本认识,为采用近岸植物消波护岸提供一定的理论依据。     

基于根茎叶概化模型的孤立波消减特性实验

采用孤立波模拟海啸波,利用根茎叶定量概化模型近似模拟近岸刚性植物,以探究植物根、茎、叶对孤立波消减特性的影响。研究发现,透射系数的范围为0.56～0.85,植被区沿程波高衰减百分比的范围为25.9%～97.0%。根、叶在不同分布密度条件下的透射系数均随相对波高的增大而逐渐减小。当淹没度大于0.7时,在入射波高等于7.0,9.0和12.0 cm条件下,波高衰减强度沿流向的敏感度逐渐降低,植物消浪呈现边界效应。当淹没度为0.6、根和叶分布密度均为16枝/株时,波浪于植被区发生波高增大现象,波高增值的范围为3.0%～6.0%。植物根、茎、叶对孤立波消减特性的影响与根和叶的分布密度、淹没度及相对波高均相关。     

规则波作用下植物带波高衰减特性实验研究

基于综合考虑根、茎、叶影响的近岸植物消波实验,对植物带沿程波高衰减特性进行了研究。结果表明,当淹没度为0.778时,茎与根作用下的植物带沿程波高衰减强度沿向岸方向逐渐增强,植物带沿程波高衰减规律与Dalrymple幂函数形式和Kobayashi指数形式的波高衰减规律并不一致。在非淹没情况下,叶作用下的植物带沿程波高衰减服从幂函数形式和指数形式的波高衰减规律。植物带沿程波高衰减强度随分布密度的增大而增大。研究发现根、茎、叶及分布密度对植物带沿程波高衰减特性的影响与植物淹没度和入射波高相关。另外,植物带消波并不是各部分消波作用的线性叠加。当植物带分布密度较大时,Dalrymple和Kobayashi波浪传播模型的有效性有待进一步提高。     

明基床开孔沉箱不规则波反射系数试验研究

通过二维波浪水槽物模试验,在考虑消浪室相对宽度、相对水深、相对波高、开孔率对反射系数的影响基础上,针对明基床开孔沉箱的工程应用,引入相对基床高度新的影响因素,通过控制单一变量原则分析各因素和反射率的关系,采用多元回归给出明基床开孔沉箱不规则波浪反射系数的计算公式,对明基床开孔沉箱的消浪机理进行了有益的探索,研究成果为工程设计及应用提供了一种简捷可靠的计算方法。     

Wave Attenuation Performance and the Influencing Factors of A Lower Arc-Plate Breakwater

Comprehensive experimental and numerical studies have been undertaken to investigate wave energy dissipation performance and main influencing factors of a lower arc-plate breakwater. The numerical model, which considers nonlinear interactions between waves and the arc-plate breakwater, has been constructed by using the velocity wave- generating method, the volume of fluid (VOF) method and the finite volume method. The results show that the relative width, relative height and relative submergence of the breakwater are three main influencing factors and have significant influence on wave energy dissipation of the lower arc-plate open breakwater. The transmission coefficient is found to decrease with the increasing relative width, and the minimum transmission coefficient is 0.15 when the relative width is 0.45. The reflection coefficient is found to vary slightly with the relative width, and the maximum reflection coefficient is 0.53 when the relative width is 0.45. The transmission and reflection coefficients are shown to increase with the relative wave height for approximately 85% of the experimental tests when the relative width is 0.19 0.45. The transmission coefficients at relative submergences of 0.04, 0.02 and 0 are clearly shown to be greater than those at relative submergences of 0.02 and 0.04, while the reflection coefficient exhibits the opposite relationship. After the wave interacts with the lower arc-plate breakwater, the wave energy is mainly converted into transmission, reflection and dissipation energies. The wave attenuation performance is clearly weakened for waves with greater heights and longer periods.     

人工柔性植被场中波浪衰减特性研究

通过SWAN-VEG模型对波浪在刚性及柔性植被中传播的模拟计算结果发现,SWAN-VEG模型能较好的模拟刚性植被场对波能衰减的特性,而对于柔性植被场的情况,则缺少合适的对阻力系数的估算方法。因而在传统的植被消浪模型的基础上,通过引入有阻尼的受迫振荡模型,来考虑柔性植被在不同入射波浪作用下的晃动效果,引入柔性植物体在波浪力下的避让因子D(D为植物运动速度与水质点流速的相对值),通过转换关系式来反映植被的柔性对阻力系数CD影响。对未考虑植被晃动的SWAN-VEG模型进行了修改,用于模拟计算波浪在柔性植被场中的衰减,并采用人工柔性材料进行物理模型试验对计算结果进行对比验证。结果表明,考虑植被晃动影响的模拟结果明显好于不计植被晃动影响的情况,验证结果的相关系数从0.68提高至0.83。由此说明在进行柔性植物消浪效果的研究中需考虑柔性植被的晃动效应,同时发现植被晃动效果的强弱与植物材质的固有频率ωn、阻尼比γ、植被高度hv以及入射波要素等因素有关。     

沿程非均匀分布植物区对海啸波消减的数值研究

为研究近岸植物的非均匀分布对海啸波的消减作用,采用非静压单相流模型计算了5种不同密度分布植物与孤立波的相互作用,分析不同密度分布植物对海啸的消波特性。结果表明在植物总株数相同时,具有不同分布密度植物的消波效果相近,透射波波高差小于3%、最大流速差小于5.4%,但是不同植物密度分布情况下植物区前的反射系数有所不同,反射系数最大差为80.2%。此外,所有分布的植物区对波高和流速的透射系数随着波高和植物区长度变化的趋势是一样的,在不同入射波高和植物区长度情况下5种分布均呈现出相似的沿程衰减机制。     

基于基因表达式编程算法的波浪透射预测

准确预测波浪透射对于维护港内水域平稳、保障港内船舶稳定具有重要意义。基于567组透浪试验数据,采用基因表达式编程(gene expression programming,简称GEP)算法预测波浪透射。主要研究内容包括:确定GEP算法的最优输入变量组合;建立透浪系数与最优组合变量的定量关系;探究GEP算法的预测精度随训练组数变化的规律;并对输入变量进行了敏感性分析。研究结果表明,GEP算法的最优输入变量组合为深水波陡、相对堤宽和相对水深;训练组数较少时,GEP算法的预测精度不高,当训练组数提高至300组,预测的精度已经达到较高水平,且精度随着训练组数的继续增加提高不大; GEP算法的预测精度远远高于前人的经验公式;相较于相对堤宽和相对水深,深水波陡对波浪透射影响更为显著。本研究表明,GEP算法可作为一种新的方法研究波浪透射,为后续研究与应用提供参照。     

基于人工神经网络的高频雷达风速反演

风速是重要的海洋状态参数之一,对海面风速的准确提取是实现海洋环境监测和沿海工程应用的重要保证。目前,作为新兴海洋环境监测设备,高频雷达在风速提取方面仍然存在挑战。本文提出了一种基于人工神经网络的风速提取方法,利用历史浮标测量海态数据训练风速提取网络,实现风速与有效波高、波周期、风向及时间因素之间的非线性映射。测试结果表明了这一网络在时间和空间上的稳定性;进而将已训练的网络应用到便携式高频地波雷达OSMAR-S的风速反演中,得到的风速与浮标测量风速间的相关系数达到0.849,均方根误差为2.11 m/s。这一结果明显优于常规由浪高反演风速的SMB方法,验证了该方法在高频雷达风速反演中的可行性。     

侵蚀浪条件下沉水植被对沙坝-潟湖海岸的冲淤影响研究

全球海岸生态系统正遭受气候变化及人类活动带来的威胁, 本文基于沙坝-潟湖系统海岸典型剖面形态, 通过设计实施动床波浪水槽试验, 定量研究了侵蚀浪条件下沉水植被对该系统海岸冲淤的影响。结果表明: 沉水植被明显削弱了沙坝前坡波浪破碎区前缘的波高增大幅度, 并使坝后波高衰减; 植被作用使波浪反射和透射系数减小、耗散系数增大; 侵蚀浪作用下, 沙坝坝顶冲刷较明显, 潟湖内呈淤积趋势, 海岸前丘受波浪冲刷呈陡坎形态。植被影响下沙坝和前丘区域最大侵蚀厚度均减小; 植被可减少沙坝净侵蚀量、潟湖内淤积量及离岸输沙量, 对海岸前丘有较好的保护作用。     

植物对孤立波作用下直立堤局部冲刷影响实验研究

基于水槽实验,研究植物对孤立波作用下直立堤局部冲刷的影响。通过改变实验入射波高、植物带的宽度和密度,分析各要素对直立堤局部冲刷的影响。实验对波高沿程变化、孤立波越堤、回落过程以及地形演变进行全程的测量和记录,并进行有无植物带保护的直立堤局部冲刷对比分析。结果表明,植物带的存在,使得堤后相对最大冲刷深度显著减小,堤前冲刷形态由单峰式"L"型变为双峰式淤积沙坝形态,且冲刷位置由原堤脚前移至植物带所在位置,冲刷范围大幅增加。减小植物带密度或者植物带宽度会使近岸侧或是离岸侧的相对最大冲刷深度和相对最大淤积高度有增大的趋势,但是当入射波高增大时,二者的影响不显著。该研究对实际工程中植物带的合理布置提出了具有参考性的建议,对减少堤防工程的冲刷和损失有一定现实意义。     

基于OpenFOAM的潜堤—双弧板组合结构水动力特性数值研究

鉴于双弧板式透空堤的消浪性能仍不理想,提出了一种潜堤—双弧板组合结构,并基于OpenFOAM软件建立了波浪与该结构相互作用的数值模型,采用试验结果对所建数值模型进行验证。在此基础上,讨论了该新型结构的消浪特性、波压力分布特征以及所受波浪力的影响因素。结果表明,透射系数随相对板宽的增大而减小,反射系数则相反。透射与反射系数随相对潜深的变化较为显著。当结构位于静水位上方（即相对潜深为-0.05）时,透射系数最小而反射系数最大;当结构位于静水位下方（即相对潜深为0.05）时,透射系数最大而反射系数最小。该组合结构两块弧板上下表面的正负压力变化关于横轴近似对称,不同测点处的压力值差异显著。水平波浪力与垂直波浪力的变化趋势大致相似,但垂直波浪力远大于水平波浪力。研究结果可为其工程应用提供理论指导与技术支撑。     

新型直立式透空堤消浪性能数值研究

为使防波堤同时具有良好的掩护效果和水体交换能力,提出了两种带有透浪通道的新型直立式防波堤。基于Fluent求解器建立了三维数值波浪水槽,通过与试验结果对比,验证了该数值水槽求解波浪与透空堤作用具有较高的精度。对两种防波堤在规则波作用下的透浪特性进行了研究,结果表明:透射系数K_t与透空率呈正线性相关,且可通过调整透浪通道间距,使相同透空率下K_t降低20%～30%。对同一结构,K_t随相对波长的增大而显著增大,但受相对波高的影响较小。在透空率大于0.16后,异型沉箱防波堤的消浪性能明显优于错位沉箱。基于数值计算结果,给出了以上两种透空堤波浪透射系数的经验公式。