海岸波浪多次破碎波能耗散模型

在坡度很缓(接近或小于1∶100)的海岸,波浪在向海岸传播的过程中,可能经历多次破碎,而在两次波浪破碎之间将伴随着波浪恢复(波浪恢复到不破碎状态)。在现有海岸波高计算模型中,波浪破碎是通过波能耗散来模拟的,但所采用的波能耗散模型都不能自动考虑波浪出现多次破碎的过程,特别精确模拟这一过程中出现的波浪恢复。本文提出了解决这一问题的新的波能耗散模型,模型的建立是通过在Dally模型中重新建立稳定波能、饱和波高水深比和波能耗散系数,并引入了波浪恢复的判断条件实现的。该模型的波能耗散在波浪恢复区的值很小故能描述波浪恢复区的波浪运动。与实验结果的对比表明,新模型可以适合缓坡情况波浪多次破碎的波高模拟,而且对不同坡度的平坡和沙坝海岸(1∶100～1∶10)的破碎波模拟都可以给出与实验结果符合的结果,并且可以自动识别多次波浪破碎的存在和波浪恢复的发生。     

斜坡平台波浪破碎数值模拟

波浪在斜坡地形上破碎,破波后稳定波高多采用物理模型试验方法进行研究,利用近岸波浪传播变形的抛物型缓坡方程和波能流平衡方程,导出了适用于斜坡上波浪破碎的数值模拟方法。首先根据波能流平衡方程和缓坡方程基本型式分析波浪在破波带内的波能变化和衰减率,推导了波浪传播模型中波能衰减因子和破波能量流衰减因子之间的关系;其次,利用陡坡地形上的高阶抛物型缓坡方程建立了波浪传播和波浪破碎数学模型;最后,根据物理模型试验实测数据对数值模拟的效果进行验证。数值计算与试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟斜坡地形的波浪传播波高变化。     

浅滩地形上波浪破碎对低频波能放大的影响

低频长波对港湾共振、泥沙输运、波浪爬高与越浪等过程有重要影响。采用非静压模型SWASH模拟了不规则波在浅滩上的传播及破碎过程,重点探讨了滩顶短波破碎程度对低频波能演变的影响。模拟结果显示,当滩顶短波处于临界破碎状态时,低频波能流沿浅滩持续增长,浅滩对低频长波的放大效应（滩后与滩前低频波能流之比）显著;当滩顶短波轻微破碎、破波仅发生在外破波区时,低频波能流的沿滩增长率进一步变大;当滩顶短波剧烈破碎、破波延续到内破波区时,低频波能流沿滩先增长而后转为衰减,滩后放大率较临界破碎时明显减小。研究结果表明,浅滩顶部水深改变了短波破碎程度,进而影响低频长波的演化过程,浅滩上长波总体增长率随滩顶水深的减小呈现先增大后减小的规律,在短波轻微破碎时最大。     

近岸海域波浪场中污染物运动的实验研究

通过实验模拟,研究了缓坡海岸带(坡度为1:100和1:40)波浪场中污染物的运动.给出了污染物在波浪破碎区和非破碎区运动范围的变化,讨论了在规则波和非规则波作用下波浪破碎区和非破碎区污染物运动的宏观变化趋势.     

平直斜坡上破波带内质量输移流对污染物输移影响的数值研究

破波带内外都有质量输移流存在,其对破波带内污染物输移有怎样的影响,需要进一步深入研究。本文基于实验以及考虑质量输移流的对流扩散数学模型研究了平直斜坡上破波带内质量输移流对污染物输移影响。数学模型包括波浪模型、近岸流模型以及对流扩散模型。首先建立了破波带内污染物输移数学模型,其中波浪场基于波能守恒方程来计算,波导流场基于Longuet-Higgins提出的辐射应力模拟,污染物对流扩散方程中考虑了质量输移流的影响,并利用算例验证该数学模型。其次简要介绍了平直斜坡上破波带内污染物输移实验,并分析了污染物输移特性。连续投放污染物会形成污染带,本文分析了两种波况下不同时刻污染带与岸线夹角的变化,以及污染物在垂直岸线和沿岸线方向的输移速度,结果表明对两种波况来说在初始10-40s污染团向岸线方向输移速度分别约为0.05m/s、0.017m/s,之后速度分别减小为0.001m/s、0.011m/s。数值模拟结果与实验结果比较表明：考虑质量输移流的模拟结果与实验更为吻合。因而,通过实验以及数模研究表明破波带内质量输移流对破波带内污染物在垂直岸线方向的输移有重要影响,而对沿岸方向的输移则影响较小。     

浅水破碎波对直立圆柱作用力的试验研究

分析了桩柱破波力的构成特性,认为破碎波与桩柱作用过程中在不完全绕流区将出现由于附连质量迅速变化引起的冲击力和柱前后波面高度差引起的附加压差力;影响破碎波对直立圆柱作用力的因素应该包括确定破波特性的水底坡度i、入射深水波陡H_0/L_0及代表圆柱对破波作用影响的相对柱径D/H_0。通过从i=1/100到1/15五种底坡上桩柱破波力的系统试验,探索了桩柱破波力的作用特性,归纳了计算桩柱破波力的经验公式。     

混成堤直墙上破波作用

高基床混成堤前波浪将发生破碎，基床顶直（胸）墙上将承受破波或破后波作用。本文在以往研究的基础上，根据综合试验的大量资料，进一步揭示破波形成的主要条件和破波作用的基本规律，包括复合因素ξ~＊和浅水Ｄ／Ｌ因素相对基肩宽度ｂ／Ｌ、基床坡度系数ｍ的综合影响，并获得较完整的计算方法。     

珊瑚礁破碎带附近波浪演化和波生流实验研究

为了研究珊瑚岸礁破碎带附近波浪演化和波生流特性,通过水槽实验对规则波浪作用下珊瑚岸礁上沿礁分布的水位和流速进行了详细的测量。在典型卷破波条件下,测试了礁冠存在与不存在的两种情况。实验结果表明,多重波浪反射作用引起岸礁上形成不完全驻波,而破碎带附近的浅化作用则产生高次谐波,波浪破碎所耗散的波能主要来源于主频波,礁坪上透射波成分中二次谐波与主频波的能量相当;礁冠的存在引起破碎带宽度减小、礁坪上增水变大以及礁坪上各次谐波变小;礁冠不存在时,岸礁上波生流的沿礁分布与平直海岸相似,而礁冠的存在一定程度上阻碍了礁坪上水体向外海的回流。研究成果将丰富和发展珊瑚礁水动力学理论,并为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考。     

内孤立波浅化破碎过程斜坡沉积物孔压响应特征实验分析

观测资料显示内孤立波沿斜坡浅化过程对海底沉积物的作用犹如一台水中吸尘器,在破碎转换阶段达到最强,甚至会触发一系列地质活动,引发地质灾害。为界定此过程中沉积物的动力响应特征和影响因素,在大型重力式分层流水槽中模拟不同振幅内孤立波和不同类型沉积物斜坡连续作用过程,利用孔隙水压力采集系统实时记录孔隙水压力变化,对比分析不同水动力、坡度、沉积物类型情况下沉积物中超孔压变化特征。分析结果表明,内孤立波破碎过程,破波位置海床表层波压力和不同深度超孔隙水压力都存在相似的"U"型负压力变化过程;破碎波经过位置沉积物表现为和表面波压力正相关的孔压响应特征。破碎点沉积物中超孔压幅值随深度减小,约在6%波长深度位置减少到坡面压力的50%。超孔压幅值和内孤立波振幅、沉积物类型和斜坡度密切相关,坡度由0.071变化到0.160时,波压力幅值可增大至1.6倍。内孤立波振幅变化不影响不同类型海床土动力响应规律,只与超孔隙水压力值大小有关,内孤立波对海床的动力作用可认为弹性作用。     

不同破碎波对沙质海床作用的实验研究

破碎波对近海海岸地形以及海岸建筑物影响强烈,通过物理模型实验对孤立波、规则波作用下破碎带的床面形态以及孔隙水压力进行分析。破碎波冲击海床,破碎处床面上形成沙坝和沙坑,与规则波相比,孤立波破碎时对床面的冲刷更加剧烈,床面形成的沙坝和沙坑尺度更大,且土体内孔隙水压力幅值也较大。同时研究了波面变化对孔隙水压力的影响,发现波面变化历时曲线与孔隙水压力历时曲线相似,与孔隙水压力梯度历时曲线更为相似,说明波面变化更能反映海床内部孔隙水压力梯度的变化。通过探讨波浪与海床之间相互耦合作用,发现破碎带地形变化使得波浪出现不同破碎类型,分析得出卷破波比崩破波作用下孔隙水压力幅值大。     

波浪增减水的实用数学模型及其数值模拟

提出了一种模拟近岸区波浪增减水的实用数学模型.首先采用考虑波能损失的抛物型缓坡方程数值模拟波浪破碎引起的波浪复振幅变化,接着根据计算得到的波浪复振幅,采用一种新的辐射应力公式计算辐射应力分量,然后采用深度平均方程计算波浪破碎产生的增减水.采用该模型对规则波和不规则波破碎引起的增减水进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明该模型可有效模拟近岸区由于波浪破碎引起的增减水.     

规则波在缓坡上变形与破碎数值分析

通过在二维数值水槽内用边界元法直接求解Laplace方程,对规则波在缓坡上的变形及破碎进行了数值计算。分析了不同底坡及采用不同底摩阻系数时规则波的破碎特征,并对规则波破碎的极限坡度进行了研究。重点分析了规则波破碎时海底坡度、底摩阻系数及波形不对称性对破碎指标的影响。     

破碎波作用下圆端形桥墩受力特性数值模拟

当波浪由外海向跨海桥梁所在的近岸海域传播时,随着水深急剧变浅,波浪会发生破碎。强非线性的破碎波会给桥墩结构带来极大冲击作用。基于计算流体力学(CFD)数值软件Flow-3D建立三维数值水槽,造波边界设为斯托克斯五阶波。通过在数值水槽中建立逐渐浅化的三维地形,采用k-ω湍流模型求解雷诺平均N-S(RANS)方程,模拟破碎波冲击桥墩。与前人水槽试验及数值模拟结果进行比对,验证数值水槽的有效性。采用验证过的数值水槽,研究了不同入射波高和周期下的破碎波浪特性,计算了不同长宽比圆端形桥墩在不同入射波高的破碎波作用下受力和流场变化,讨论了最大压强作用点、准静态力和冲击力随桥墩长宽比的变化规律。研究表明:与前人试验和数值模拟相比,所建立的数值水槽具有较高精度;圆端形桥墩破波力随桥墩长宽比增大,先增大后趋于稳定,破波力峰值随着入射波高的增大而增大,同时,圆端形桥墩破波力峰值主要由冲击力控制。进行跨海桥梁圆端形桥墩设计时,应重点关注桥墩长宽比和破碎波冲击力的影响。     

波参数在逆流场中的变化

本文基于理论分析和模型试验,提出了逆流场中波要素变化的全过程预报模式,对逆流中破碎前的波要素变化,建议以波作用量守恒原理用三阶Stokes波进行计算,随着相对逆流流速的增大,波浪将发生破碎.文中给出了计算破碎时临界相对流速值和最大可能波高值的诺模图,并与试验值作了比较,二者是吻合的,文中还讨论了逆流中破后波的形态及若干性质,并基于试验资料,提出了计算破后波要素的经验公式.     

基于激波捕捉类Boussinesq模型对岛礁地形上波浪传播的数值模拟

为了探究激波捕捉类Boussinesq模型在模拟岛礁地形上规则波和不规则波传播的可行性,采用基于完全非线性Boussinesq方程并具有激波捕捉能力的数值模型Funwave-TVD对规则波和不规则波在岛礁地形上的传播进行了数值模拟,通过与试验数据对比,分析模型中空间步长的影响,验证模型在模拟波高、平均水位分布以及波谱空间演变的能力,结果表明:采用合适的空间步长,模型能较好地模拟规则波和不规则波在岛礁地形上的传播和演化过程。对于规则波,较小的空间步长可改善破碎点处波高峰值的预测,并能更好地预测波浪破碎后波高的空间分布,相比结合经验破碎的Boussinesq模型,Funwave-TVD能更好地模拟规则波在岛礁地形上的破碎,以及破碎以后行进涌波的再生成过程;对于不规则波,Funwave-TVD总体而言能较好地模拟涌浪有效波高、次重力波的生成及空间演化和平均水位,但会低估礁坪上次重力波波高,较粗的空间步长也会低估礁坪上涌浪有效波高。     

不同破碎波气液混合区发展特征及其运动特性研究

了解波浪破碎速度场的分布特性对于波浪破碎物理机制的研究极为重要,同时,对比研究不同类型破碎产生的气液混合区的演化特征有利于波浪白冠覆盖率模型的完善。在实验室水槽,生成了深水临界波、单次崩破波和单次卷破波,采用图像测速技术获取了波浪破碎图像、波面下水体和气液混合区速度场。结果表明,崩破波的水平向速度u和垂直向速度v在波峰前和波峰后的分布极为不对称,其水平向最大速度u_max并不位于峰顶,而是在主导波峰前0.7η_{m ax}处;卷破波的u_max出现在波峰峰顶前端极小的区域内,且该区域与周围区域的速度梯度极大。崩破波和卷破波生成的气液混合区发展特征也存在差异：崩破波的u_max值大、影响区域长、混合区厚度较小、各区域影响时间短;而卷破波的各项特征参数与崩破波形成对比。     

潮汐影响下海滩前滨波浪传播耗能过程分析

文章基于长乐海滩前滨剖面的实测波浪数据, 通过统计分析以及谱分析的方法, 探讨了潮汐过程中长乐海滩波浪参数及耗能过程的变化规律。结果表明, 观测期间内波浪以混合浪为主, 各测点谱型较宽, 存在多峰振荡现象。向岸传播过程中, 波能耗散的形式为窄频域向宽频域转变, 能量分布趋于分散, 高频波能减小, 低频波能反而有所上升, 波浪破碎后生成长重力波。破波带内的能量衰减与波浪传播距离具有良好的相关性, 破碎波能在破波带内大约衰减了98.3%。潮汐水位对波浪具有明显的调制作用。入射波能随潮汐水位的增加而有所增加, 且水位越高, 入射波能分布越分散。破波带内的有效波高和潮汐水位具有显著的正相关关系。潮汐过程中固定测点的波谱变化与波浪沿剖面的波谱变化具有明显的相似性。     

深水波浪破碎特征量与风速和摩擦风速的关系

破碎是常见的海浪现象之一,研究海浪破碎现象在许多方面有重要意义.首先,海浪破碎是海-气相互作用包括动量、热量及质量交换的主要动力因素,而且波浪破碎还涉及到其它海-气边界过程,如海面白浪(whitecaps)、海洋表面气泡、大气贴水层水雾及海洋上层混合等[1,2];其次,由于破波施加于海洋结构物上的作用力(冲击力)远大于没有破碎时的波浪力,因此,在计算海上建筑物所受外力中,必须考虑破波的出现率及破波强度的影响;另外,波浪破碎会对波高产生影响,因此,在对波高作统计预报时也应考虑波浪破碎的影响[3];还有的学者认为,很多污染物在海洋中的扩散速度与波浪破碎率有密切关系[4].     

破碎立波对直墙建筑物作用机理的研究

建立二维非线性数值波浪水槽,模拟了规则波条件下破碎立波对直墙建筑物的作用.从直墙上压力分布和各测点的压力过程线等方面与物理模型实验结果进行比较,讨论了破碎立波的作用特点,分析了压力过程线出现马鞍形变化的原因.将破碎立波波浪力与按规范方法和立渡理论方法计算的结果进行了比较.通过对计算结果的的分析比较,验证了该数值模型的有效性.     

波生流对海岸污染物输移的影响

通过物理模型实验对海岸波浪作用下污染物运动特性进行了分析,重点分析了质量输移流、沿岸流、沿岸流不稳定运动及破波带内旋涡运动等海岸水动力因素的影响.实验中坡度分别取为1:100和1:40,实验中采用CCD摄像机记录墨水的运动轨迹,同步测量流体质点速度以及波面升高.实验表明,在破碎带外污染物主要受波浪非线性引起的质量输移流的影响;在破碎带内主要受沿岸流的影响,同时还受沿岸流不稳定运动及大尺度旋涡运动的影响.