基于非静压模型的波浪空间聚焦研究

为研究波浪聚焦特性,分析极端波浪的产生机理,采用非静压模型通过数值模拟的方法对波浪聚焦的影响因素进行了详细研究。本文采用SWASH非静压波浪模型,模型垂向均匀分三层以保证足够的色散精度以及非线性精度来高效准确的模拟波浪在变化地形上的传播。研究发现在最大波浪未发生破碎时,波浪在半圆形凸起斜坡浅滩上传播,波浪聚焦是波高增大的最主要原因。初始kR(波数与浅滩半径乘积)值对波浪在该地形上的聚焦特性有着重要影响。初始kR越大,最大波高位置距聚焦地形坡脚的距离越远。当kR在1.4π~4.05π之间时,随着kR的减小,最大相对波高先增大后减小,当kR=2.45π时,最大相对波高达到极大值,可达2.48倍初始波高。     

不同受损情况下珊瑚礁海岸动力地貌差异性分析

探索珊瑚礁与海滩地貌之间动力地貌联系是认识珊瑚礁海岸变化的重要一环.本文以雷州半岛徐闻西落港珊瑚礁海岸为研究对象,应用RTK-GPS和无人船开展岸滩剖面和近岸水下地形的测量、结合海滩沉积物分析,基于FUNWAVE-TVD数值模型模拟并分析不同珊瑚礁地形地貌条件下波浪动力传播过程.结果显示,研究区珊瑚礁水下地形是影响礁后...     

非静压水波模型研究综述

水波数值模拟一直是水利、海岸、海洋工程和物理海洋等学科关注的重要研究领域之一。在诸多的水波模型之中,非静压水波模型以其计算精度和效率较为平衡的特点受到青睐。非静压水波模型经过近三十年的发展,为科学研究、工程设计分析和海洋资源开发等提供了重要的技术手段。然而,如何开发更为高效的非静压模型,拓宽模型的应用领域一直是研究的主要研究方向。文章综述了非静压模型概念的提出以及数值开发的难点,介绍了非静压模型在波浪传播演化和波浪与结构物相互作用这两方面的应用进展,将有助于研究者了解非静压水波模型的研究和应用现状。     

礁坪上波浪传播的数值模拟

本文基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。     

孤立波对礁坪上直墙冲击试验和RANS数值模拟

在有、无礁冠两种典型岛礁剖面地形上开展孤立波冲击礁坪上直墙的二维水槽试验和数值模拟研究。通过OpenFOAM结合k-ε湍流模型进行RANS数值模拟,基于试验数据和验证后的RANS模拟结果,研究了岛礁剖面上孤立波传播的水动力特性及其对直墙的作用,并探讨了礁冠的存在对直墙所受冲击的影响。结果表明:RANS(k-ε)模型能够准确还原孤立波在岛礁地形上的主要传播特征,但在波浪破碎的情况下,RANS数值模拟不够精细,尤其对直墙所受瞬击荷载的捕捉能力欠缺;礁冠的存在,增强了波浪反射,使得波浪提前破碎,减小了直墙上的波浪爬升和最大动压。     

岛礁环境波浪传播、雍水及越浪量2D模型试验研究

岛礁与大陆沿海地区的不同之处在于,它们与深水相邻,暴露于非常大的台风波浪中,并且大多数包括边缘珊瑚礁,地形变化急剧,水深由几十甚至上百米突变到1～2 m。外海波浪在礁盘边缘处发生破碎,并沿着礁盘行进,波浪形态发生重大变化,传至岛礁上的浪涌和波浪产生非线性作用,且礁坪上地形复杂,难于建立数值水槽进行研究。国内现有的海岸工程设计规范主要是针对大陆海岸,但没有针对地形复杂且水深急剧变化的深水岛礁的相关条文,而这对于确定岛礁上护岸高程、护岸距离礁盘边缘的距离等非常重要。本研究旨在研究岛礁环境中,外海波浪传递至礁盘上沿程的水动力数据,并测量距礁盘边缘400 m处的护岸越浪量,为岛礁上水工建筑物设计与应急管理提供设计参考依据。     

斜坡上波浪破碎与越浪非静压数值模拟

为合理确定防浪建筑物的越浪量,基于含非静水压力梯度项的非线性浅水方程建立了近岸波浪越浪数值模型。通过采用域内造波、消波并结合波前静压假定的破碎模型,模拟了规则波和不规则波在斜坡上的波浪传播变形,并在此基础上进行了越浪量数值计算。数值计算结果与物理模型实验结果表明,非静压模型可合理地描述波浪破碎点位置、破碎后的波高、增减水以及斜坡上的堤后越浪量。数值模型具有较高的计算精度和计算效率,可为实际工程防浪建筑物越浪以及堤顶高程的设计提供一种新的数值研究手段。     

岛礁附近浮式平台运动响应特性数值分析

利用基于开源平台Open FOAM自主开发的船舶与海洋工程水动力性能求解器naoe-FOAM-SJTU,数值模拟了近岛礁环境下规则波的演化特性以及带有系泊系统的浮式平台在相应波浪作用下的水动力性能。对于平台的水动力性能的研究发现,仿真结果与试验结果在平台自由衰减运动固有周期及RAO(response amplitude operator)方面吻合良好。对于波浪在近岛礁地形下的演化现象的研究,分析了波浪演化不对称性特性的成因,并分别给出了不同参数下波浪在地形上爬升时演化的具体特性,对于波高变化及波浪演化的频率成分进行量化的探究。研究发现,波浪周期越大,波高变化越明显,演化的非线性现象越明显,且波浪随着传播距离的增大演化出的阶数也在增大。     

非静压波浪模型无反射造波

非静压波浪模型是一种近年来得到迅速发展且有望在工程计算中获得广泛应用的波浪模型。为了在非静压波浪模型中实现无反射造波,在连续性方程中添加了质量源项进行域内源造波,并采用阻尼消波方法进行数值消波。数值算例结果表明,所建立的无反射造波方法可以较好地避免非静压波浪数学模型中的二次反射,实现长时间稳定波浪模拟。     

透水珊瑚岸礁亚重力波水动力特性数值研究

基于非静压单相流模型（NHWAVE）,对随机波浪在透水珊瑚岸礁上传播过程进行了数值模拟,综合考虑入射波高、礁坪水深、谱峰周期、透水层厚度、透水层孔隙率以及颗粒的中值粒径等因素对岸礁波浪水动力特性的影响,重点分析了短波波高、低频长波波高、平均水位的沿礁变化,并与无透水层的岸礁情况进行了对比。研究表明：透水层的存在减弱了波浪在礁前斜坡的浅水变形和在礁缘附近的波浪破碎,显著降低了岸线附近的短波波高、低频长波波高以及波浪增水值,除此之外,透水层的存在会降低波浪在岸滩的最大爬高;透水层的孔隙率和颗粒的中值粒径对波浪传播变形特征的影响可忽略不计;入射波高和谱峰周期越大,岸礁透水层对短波、长波及波浪增水的影响越显著;当增大礁坪水深时,透水层对波浪的消减作用减弱;随着透水层厚度的增大,岸线附近的短波波高、长波波高和波浪增水值随之减小。     

岛礁地形上拍岸浪的数值模拟研究

近年来,越来越多的海岸工程与军事活动在岛礁上展开。研究岛礁地形上拍岸浪的传播特征具有重要的指导作用和现实意义。在对波浪破碎的研究中,数值模拟方法以其经济可行、操作性强的优势而得到了广泛的应用。本文采用基于完全非线性Boussinesq方程的数值模型FUNWAVE-TVD模式,对岛礁地形上拍岸浪的传播过程进行模拟,并将模拟结果与实验室数据进行对比。在此基础上,通过修改岛礁前坡坡度,分析了不同坡度下波浪的传播变化特征。结果表明,FUNWAVE-TVD模式能够较为准确地模拟岛礁地形上拍岸浪的非线性作用以及破碎现象。波浪破碎位置随岛礁前坡坡度的减小而前移。     

珊瑚礁地形上破碎波高试验研究

破碎波高是珊瑚礁地形上波浪演化的重要参数之一,对工程安全和海岸变形具有重要影响。通过二维波浪水槽,对珊瑚礁地形上破碎波高进行试验研究,分析破碎波高随波陡、礁坪水深以及礁前斜坡坡度的变化。研究表明,相对破碎波高随相对礁坪水深的增大而增大,随入射波陡的增大而减小,但礁前斜坡坡度对相对破碎波高的影响并不明显。通过引入相对礁坪水深,将经典的破碎波高计算公式拓展至珊瑚礁地形上破碎波高的计算。该公式计算值与前人的试验值进行对比验证,吻合较好。研究成果可为工程实践和数值模拟提供参考与借鉴。     

波浪在珊瑚礁及台阶式地形上的传播

波浪在水深剧变地形上传播与在缓变地形上传播相比，变形规律有很大不同。本文结合珊瑚礁地形，对波浪在台阶式水深剧变地形上的传播的研究进展了综述，指出了一些存在的问题及进一步研究的方法。     

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。     

基于线阵CCD的波流调制效应水槽实验研究

波流调制效应是指海面非均匀流场产生的挤压和拉伸,进而导致海面局部小尺度波浪谱发生增强或削弱的效应,它是内波、海底地形、海洋锋面等多种海洋现象能被SAR等微波遥感手段观测到的重要物理机制。波流调制效应非常复杂,与海面风速、波浪谱、流场等因素都有关系,直接在海面上开展精确的实验测量非常困难,且重复性差,而在水槽内可以实现较为精确的测量和重复性。本文给出了在水槽实验室内基于线阵CCD同步获取水面波浪谱和流场的测量方法,克服了传统的传感器无法同步获取波浪谱和水面流场的缺点,并在分层流水槽内对孤立内波产生的非均匀流场的波流调制效应进行了观测。研究结果表明基于线阵CCD的测量方法是研究波流调制效应的有效手段,尤其适合对厘米/毫米波段小尺度波浪谱的波流调制效应的研究。此外,在波长小于3cm时波流调制模型的松弛率与经典模型的预测结果有较大出入,需要进一步深入研究。     

基于扩展型双曲缓坡方程波浪传播模型

在时域缓坡方程中,引入非线性修正项、高阶地形影响项以及能量耗散项,推导得出扩展型双曲缓坡方程。基于该方程,利用ADI格式建立波浪传播数学模型,并应用于椭圆形浅滩、Bragg反射正弦沙涟地形以及斜坡地形的波浪传播计算,计算结果与试验数据均吻合良好,表明该模型能够对近岸波浪的折射、绕射、反射、浅水变形、弱非线性、陡变地形影响以及破碎进行较好地模拟。     

考虑植物影响的波浪和波生流迭加条件下水动力特性数值模拟研究

海岸湿地是近海地区重要的生态系统,由于潮流、波浪尤其是非连续水流与植被的相互作用,导致该海域的水动力环境复杂多变。本文发展了一个深度平均二维波流耦合数学模型,模拟湿地海域波浪和波生沿岸流的运动特性。水动力模型中植物拖曳力作为源项放入动量方程中,在波浪作用量平衡方程增加波能耗散项用于解释水生植物对波浪产生的阻力作用。在动态耦合模型中,波浪模型为潮流模型提供波浪辐射应力、波高、波浪周期等数据信息,潮流模型为波浪模型提供计算的水位和流速,可以达到双向动态耦合。本文发展的波流耦合模型通过三个实验室试验数据加以验证,计算结果和实验数据吻合较好,在波浪、波生流和植物迭加条件下,所建模型能够有效地模拟波浪、沿岸流等不同现象。     

相位解析有旋数值模拟在近海近岸非静压海浪荷载计算和风险分布评估上的应用

区域尺度精细化水动力数值模拟是解决大量工程、地质、环境等问题的重要手段。水动力荷载的直接冲击是近海近岸结构物、设施破坏的主要动力因素。本文章旨在介绍Boussinesq-GreenNaghdi有旋非静压水动力模型及其在区域尺度灾害性海浪的非静压水动力荷载分析和风险分布评价上的应用。这套模型利用了Boussinesq量纲和Green-Naghdi加权积分的结构。速度和压力被用多项式假设来表达和非线性重排法的应用,有效地提高了模型性能,避免了无旋假设的使用,更好地模拟计算了右旋流速和非静态压力场等复杂水动力参数。模拟重现美国和菲律宾沿海台风浪过程,深入分析非静压海浪荷载作用机理,计算海浪荷载的时空分布,与巨石迁移和结构物损坏的调查数据进行对比验证,构建海浪荷载与区域结构物破坏程度分布的相关性,量化各项影响要素如流速、浪高、结构物特征等的风险权重,通过回归分析法推导基于多影响要素的区域海浪风险参数化定量评价方法。为非静压相位解析有旋水动力理论和海浪灾害机理的科学探索提供原创性基础。为沿海人类活动、区域规划、工程设计、防灾减灾等提供科学指导。     

珊瑚礁冠层水动力学问题研究综述

珊瑚礁冠层水动力学的研究不仅对维护珊瑚礁生态系统的健康以及生态修复具有指导意义,还能为在台风浪等极端波浪影响下的海岸带防灾减灾提供决策依据,也对预测珊瑚礁上的泥沙输运和珊瑚礁海岸线演变具有重要的参考价值。本文回顾了珊瑚礁冠层水动力学的研究现状,从冠层内外流动特性、冠层阻力特性及冠层阻力的模拟方法 3个方面对当前该领域的研究进展进行了系统的综述,并提出未来冠层内外流动特性的研究可关注更复杂的波浪或波流共同作用下的水动力特性,冠层阻力特性应充分考虑冠层骨架结构的各向异性,冠层阻力的模拟可采用直接求解基于Navier-Stokes方程来复现冠层尺度下的精细化流场。     

基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程二维波浪传播数值模型

建立基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程的二维波浪传播数值模型。采用Kennedy等提出的涡粘方法模拟波浪破碎。在矩形网格上对控制方程进行离散,采用高精度的数值格式对离散方程进行数值求解。对规则波在具有三维特征地形上的传播过程进行了数值模拟,通过数值模拟结果与实验结果的对比,对所建立的波浪传播模型进行了验证。同时,为了考察非线性对波浪传播的影响,给出和上述模型具有同阶色散性、变浅作用性能但仅具有二阶完全非线性特征的波浪模型的数值结果。通过对比两个模型的数值结果以及实验数据,讨论非线性在波浪传播过程中的作用。研究结果表明,所建立的Boussinesq水波方程在深水范围内不但具有较精确的色散性和变浅作用性能,而且具有四阶完全非线性特征,适合模拟波浪在近岸水域的非线性运动。