基于Boussinesq水波模型的聚焦波模拟

基于最高导数为3阶的单层Boussinesq方程,建立了聚焦波的时域波浪计算模型。数值模型求解采用了预报?校正的有限差分法。对于时间差分格式,预报和校正分别采用3阶Adams-Bashforth格式和4阶Adams-Moulton格式。首先,针对不同水深条件下水槽中传播的强非线性波进行模拟,并将数值结果与流函数的数值解析解进行了比较,结果表明无论是波面位移、波面处的水平速度和垂向速度均与解析解符合较好,最大波峰面的速度分布伴随水深的增加与解析解吻合程度变差,非线性速度分布的适用范围与线性解析解适应范围kh<3.5基本一致。其次,对深水聚焦波演化进行了模拟研究,研究中聚焦波的生成采用在边界点累加不同频率线性规则波的方法。应用聚焦波物理模型实验结果验证模型,计算聚焦位置处的波面位移和沿水深的速度分布与实验结果的对比表明,波面位移吻合程度较好,垂向的水平速度分布基本吻合。最后,保持中心频率(周期)不变,数值模拟了周期范围变化下最大聚焦波峰面以及波峰面水平速度的变化趋势,结果表明波峰面值和波峰面水平速度随着周期范围缩小而增大。     

基于双层Boussinesq方程的三维波浪数值模型及其验证

Liu等给出的最高导数为2的双层Boussinesq水波方程具有较好的色散性和非线性,基于该方程建立了有限差分法的三维波浪数值模型。在矩形网格上对方程进行了空间离散,采用高阶导数近似方程中的时、空项,时间积分采用混合4阶Adams-Bashforth-Moulton的预报—校正格式。模拟了深水条件下的规则波传播过程,计算波面与解析结果吻合较好,反映出数值模型能很好地刻画波面过程及波面处的速度变化;在kh=2π条件下可较为准确获得沿水深分布的水平和垂向速度,这与理论分析结果一致。最后,利用数值模型计算了规则波在三维特征地形上的传播变形,数值结果和试验数据吻合较好;高阶非线性项会对波浪数值结果产生一定的影响,当波浪非线性增强,水深减少将产生更多的高次谐波。建立的双层Boussinesq模型对强非线性波浪的演化具有较好的模拟精度。     

一个改进的二阶Boussinesq方程模型在线性波浪反射问题中的适用性研究

基于改进型的二阶Boussinesq方程,在交错网络下建立数值模型.利用模型模拟波浪在常水深情况下的传播,波浪反射系数均低于2％.利用该模型模拟波浪在平斜坡前的反射,并将数值结果与解析解进行对比.结果表明,对于相对水深较大情况,坡度较陡时模拟结果明显偏大;对 于相对水深较小情况,坡度超过1:1时,数值结果仍与解析解有....     

用含高色散性Boussinesq方程模拟潜堤上的波浪变形

基于一种高阶Boussiensq方程(刘忠波等,2004),采用预报-校正格式的有限差分法对该方程进行了数值离散,建立了数值模型。针对动量方程中三阶项的差分形式,采用了迎风格式和五点格式。通过数值模拟常水深下不同周期波浪传播变形,指出迎风格式在计算小周期波浪时存在的问题。为进一步验证数值模型的适用性,模拟了淹没潜堤上的传播变形。从数值结果与实验值的对比结果上看,该数值模型能较好地模拟波浪变形,可用于模拟实际中的波浪场问题。     

加强的适合复杂地形的水波方程及其一维数值模型验证

在他人给出的方程的基础上,通过在其动量方程中引入含4个参数的公式,推导出了加强的适合复杂地形的水波方程,新方程的色散、变浅作用以及非线性均比原来适合复杂地形的方程有了改善:色散关系式与斯托克斯线性波的Padé(4,4)阶展开式一致;变浅作用在相对水深(波数乘水深)不大于6时与解析解符合较好;非线性在相对水深不大于1.05时保持在5%的误差之内.基于该方程,在非交错网格下建立的时间差分格式为混合4阶Adams-Bashforth-Moulton的一维数值模型,并在数值计算中利用了五对角宽带解法.数值模拟了潜堤上波浪传播变形,并将数值计算结果与实验结果进行了对比,验证了该数值模型是合理的.     

非线性波传播的新型数值模拟模型及其实验验证

以一种新型的Boussinesq型方程为控制方程组,采用五阶Runge-Kutta-England格式离散时间积分,采用七点差分格式离散空间导数,并通过采用恰当的出流边界条件,从而建立了非线性波传播的新型数值模拟模型.通过对均匀水深水域内波浪传播的数值模拟说明,模型能较好地模拟大水深水域和强非线性波的传播.通过设置不同的入射波参数来进行潜堤地形上波浪传播的物理模型实验,并将数值解与物理模型实验结果进行了比较.     

任意曲线边界条件下缓变水深水域波浪传播的数值模拟

缓坡方程被广泛地应用于描述波浪的传播变形计算,目前一般采用矩形网格求解.将计算域剖分为任意四边形网格,以格林公式为基础,在变量沿单元边界线性变化的假定下,对双曲型的波能守恒方程、波数矢无旋性方程进行离散,同时通过等参单元变换推求节点偏导数值以离散椭圆型光程函数方程,从而建立了任意曲线边界条件下缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型.将模型应用于平行直线型等深线地形,并将计算域剖分为不规则四边形网格,对不同入射角、底坡、波高等多种组合情况比较了数值解与解析解,结果表明两者一致.应用于复杂边界的实例,数值模拟结果与物模实验值基本吻合.     

适用于沙坝上Bragg反射的二阶Boussinesq方程数学模型及其数值验证

在二阶 Boussinesq 方程基础上,通过引入含水深导数项对该方程进行了理论上的改进,使得该方程在应用于无限沙坝 Bragg反射问题时与理论解析解在更大范围内符合.基于该改进的高阶 Boussinesq 方程,在非交错网格下建立了混合 4 阶的Adams-Bashforth- Moulton 格式的数学模型.将数值模型应用到有限个连续沙坝上波浪传播变形问题的数值模拟中,通过两点法给出数值波浪反射系数,将这些反射系数与已有的实验数据进行对比,对比表明改进后的模型计算出的反射系数与实验结果吻合更好,这验证了本文理论改进的有效性.     

强非线性和色散性Boussinesq方程数值模型检验

采用同位网格有限差分法,建立了强非线性和色散性Boussinesq方程数值计算模型。以稳恒波Fourier近似解给定入射波边界条件,对均匀水深深水和浅水域不同非线性的行进波、缓坡地形上深水至浅水域的浅水变形波、以及缓坡和陡坡地形上的波浪水槽实验进行了数值计算,并将计算结果与解析解、解析数值解以及实验值进行了较为详细的比较,从而检验了模型的色散性、非线性以及不同底坡下非线性波的浅水变形性能。     

陡坡上孤立波爬高的数值模拟

波浪爬高是海岸工程中重要的水动力学问题之一,其数值模拟方法通常是通过离散Navier-Stokes方程或Boussinesq方程实现的,其中基于光滑粒子流体动力学方法是近年发展起来的。本文应用该方法模拟相同水深下,不同波高的孤立波在45(°)陡坡上的爬高,模拟结果与理论计算结果及已有物理模型试验结果进行了对比,并模拟出孤立波激散破碎过程及粒子分布和速度场的变化过程。结果表明,对密度近似方程进行重新初始化保持了流场内的质量守恒,同时整个计算域内的压力分布更加规则,说明光滑粒子流体动力学法在波浪爬高计算中的有效性。     

垂向变化的波浪辐射应力影响下流场数值研究

采用浪流沙耦合模型COHEREN-SED模型进行黄河三角洲的海流三维运动数值模拟。文中将垂向平均的波浪辐射应力与垂向变化的波浪辐射应力引入至COHERENS-SED,通过该模型进行波浪辐射应力影响下的海流场演变数值研究。研究结果显示波浪辐射应力的存在显著改变了水深小于5m的流场。垂向变化的辐射应力则使得其表层波生沿岸流速大于传统的垂向均匀辐射应力引起的波生沿岸流速,底层则刚好相反。当波浪强度很大时,流场中的波生沿岸流对水深较浅的海岸区海流场影响较大。     

非线性波传播的新型数值模拟模型及其实验验证 引入变换速度变量

以一种新型的含变换速度变量的Boussinesq型方程为控制方程组,采用五阶Runge-Kutta-England格式离散时间积分,采用七点差分格式离散空间导数,并采用恰当的出流边界条件,从而建立了非线性波传播的新型数值模拟模型.对均匀水深水域内波浪传播的数值模拟,说明在引入变换速度后进一步增大了模型的水深适用范围.对潜堤地形上波浪传播的数值模拟说明,在引入变换速度后进一步提高了模型的数值模拟精度.     

修正型缓坡方程的有限元模型

与缓坡方程相比,修正型缓坡方程增加了地形曲率项和坡度平方项,从而提高了数值求解的复杂性。本文将计算域划分为内域和外域,内域为水深变化区域,使用修正型缓坡方程,其中的地形曲率项和坡度平方项可用有限单元各节点的水深信息和单元插值函数表示,外域为水深恒定区,速度势满足Helmholtz方程,通过内外域的边界匹配建立有限元方程,并用高斯消去法求解。进而分别模拟了波浪传过Homma岛和圆形浅滩的变形,其结果与相关的解析解和实验数据吻合良好,证明了本文有限元模型的正确性。同时,通过与实验数据的对比也明显看出,在地形坡度较陡的情况下,修正型缓坡方程较缓坡方程具有更高的计算精度。     

基于改进缓坡方程的波浪传播数值模拟

用变分原理导出考虑底坡一阶导数平方项和二阶曲率项影响的缓坡方程,对传统缓坡方程作了改进,提高波浪在海底地形变化剧烈、水深较浅时数值模拟精度。数值计算与已有实验室试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟有剧烈变化的海底地形的波浪传播,比传统缓坡方程模型计算结果在精度上有明显提高。     

传统Spar平台和型组合共振运动响应研究

研究传统Spar平台在长周期规则波浪下的和型组合共振现象.考虑垂荡与纵摇运动的相互影响以及瞬时波面对于纵摇运动的参数激励作用,建立平台两自由度耦合运动方程.采用多尺度法导出了当波浪频率接近垂荡与纵摇固有频率之和时方程的一阶摄动解.针对一座实际Spar平台,通过求解幅值分岔方程,得到平台在不同波高下的运动响应并进行了数值模拟.计算结果发现,当波浪幅值超过某一极限值时,平台出现较大幅值的垂荡与纵摇亚谐共振运动.研究结果揭示了Spar平台出现和型组合共振的条件和组合共振时的动力特性.     

三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.跟踪流体自由表面的方法为满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法,对离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元.并把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克斯波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播.     

波浪产生和运动的二阶计算模型

在快速模拟波浪运动的谱方法基础上,引入造波边界,建立了模拟波浪产生和运动的二阶计算模型。采用摄动展开方法简化了带有造波边界的水波运动问题,将速度势分解,得到了满足造波边界和自由面边界的速度势的一般解,运用快速Fourier变换和时间积分,建立了模拟波浪产生和运动的数学模型。基于该模型,采用不同的数值造波条件,模拟了波浪的产生问题;考虑了波浪的初始运动问题;通过把数值结果与物理实验的比较,验证了波浪计算模型的有效性。     

沿岸流流速垂向分布的实验研究

进行了沿岸流模型实验,测量沿岸流流速的垂向分布.采用Faria等(1996)的方法对实验结果进行了分析,将水深分为上层和下层两部分:下层采用对数分布来表达沿岸流的垂向分布;上层考虑了波浪引起的自由表面的波动,使流速分布包括了修正的对数分布和质量输移速度两部分.对实验结果得到的相对粗糙度与sleath(1991)的经验公式结果进行了对比,也对摩阻流速结果与已有经验公式计算结果的进行了对比.     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

波浪谱形对不规则波数值模拟的影响

通过数值模拟分析了波浪谱形对不规则波浪数值模拟结果的影响.采用不同参数的JONSWAP谱模拟入射波要素,基于抛物型缓坡方程模拟不规则波浪的传播,分析了波浪谱形状对波浪数值模拟结果的影响.结果表明,采用抛物型缓坡方程模拟不规则波浪时,入射波浪谱形对模拟结果影响不明显;但由于模型中非线性项的影响,采用不规则波模拟的波高分布和采用规则波模拟的结果略有差别.