自然海滩的波浪和流──一个准三维数值模型

在海滩上一个理想的精密泥沙输移模型必须对研究区域的波候和波成流有准确完善的描述。作为海岸过程的更完全模型的第一步，本文概括了详细的波浪和流的计算的不同方面，开发出一个基于PC机的准三维模型。而且通过在模拟的无限长自然海滩上的实验室实验予以校准。实验是在多种波浪条件下进行的，如规则和随机长峰波区域及两种粒径的砂。     

海滩沙在波浪作用下的垂向分异试验研究

自然条件下的海滩并非由均一粒径的泥沙组成,在波浪作用下会发生泥沙分选。本文针对全级配沙床,开展水槽试验,研究不同波浪动力对海滩沙垂向分异特征的影响。实验结果表明:波高对海滩沙垂向粒度分异性结果影响较大,大波高作用下沙坝处垂向泥沙粒度变化受波浪影响深度达8cm;小波高作用下,由于波能相对较小,波浪第一次触底产生的紊动较弱,使得垂向泥沙粒度变化较小。相同波高不同周期波浪作用下的垂向泥沙分异特征的差异主要表现在上冲水流和重力回落流共同作用下携沙能力的不同。     

准三维位相分解的水动力及泥沙输运模型

本文将一个基于扩展到破波带的Boussi nesq方程的二维位相分解波浪变形模块与一个波浪挟沙输运模块相结合来计算二维输沙率 ,建立了两个水动力模块来计算流及湍粘性的垂向变化 ,以及波浪悬沙浓度和悬沙输沙率。在几种情况下对该模型进行了验证 ,并做了精度分析。Elfrink等 (1 996)给出了三维模型的描述 ,即一个无界海滩位相平均的波浪模块和一个波浪挟沙输运模块的合成。需要一个波浪理论来计算波要素。Rakha等 (1 997)所描述的模型则代表一个可位相分解的海岸剖面模型 ,即由一个一维 (1D)Boussinesq模块和一个垂向一维(1DV)波浪水动力及…     

波浪漫滩边界对波生流数值计算的影响

波浪漫滩是近岸波浪的小尺度运动,在实际海域的波生流数值计算中通常被忽略。本文基于Boussinesq方程的FUNWAVE模式,分别采用波浪漫滩边界、固壁边界、海绵边界进行Haller波浪港池物理模型实验的数值模拟,比较三种边界计算结果与实验观测数据的误差,检验波浪漫滩边界对波生流数值计算的影响;然后设计了多种周期、波高的波生流数值模拟试验,分析多种波浪入射条件下波浪漫滩边界对近岸波生流数值计算的影响。结果表明,波浪漫滩对邻近区域波生流有明显影响,漫滩边界下的波生流计算结果更接近实验观测值,在近岸波生流数值模型中引入波浪漫滩边界可以提高波生流计算精度。     

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。     

二维沙质海滩剖面形态试验研究

海滩形态是近岸过程与海岸工程的一个重要研究内容,为探讨人工沙滩平衡剖面的形成及其形态特征和波浪作用下的滩面泥沙运动,从泥沙与波浪运动的相似规律出发,采用天然沙以正态整体模型进行二维沙质海滩的形态试验.试验证明人工沙质海滩在波浪作用一定时间之后,其剖面基本趋于一种平衡状态,沙源的向岸推移和向海下拉的情况也基本稳定.试验显示混合波的冲刷要大于单纯斜向波,单纯斜向波的冲刷大于单纯正向波,因此人工沙质海滩施工时应考虑到不同来波方向对剖面的影响.对比各个系列的整个人工沙质海滩剖面变化情况,可以看出整个沙滩剖面呈冲刷形态:从岸向海方向,在滩肩平台上形成一定的沙源堆积体;在滩肩缘到斜坡中部侵蚀最大,在斜坡下部侵蚀较小且向海呈逐渐减小趋势.     

预测护岸海滩的波浪增水、沿岸流及沉积物搬运的分析模型

假定条件为浅水 ,波倾角小 ,并具有崩顶破浪现象。在破浪带由于反射波的能量增强而使入射波发生分散 ,使反射波能能够保存 ,在护岸前面形成部分持续波 ,引起辐射应力和底部应力的调制 ,从而导致波浪增水、沿岸流及沿岸沉积物的搬运。在较宽的破浪带形成的大量持续波会导致海滩坡度变缓 ,使调制的影响增强。总的水深坡度 (包括波浪增水 ) ,有护岸海滩比没有护岸的海滩要陡 ,沿岸流和沿岸的沉积物搬运受海堤垂岸位置的影响强烈 ,在坡度较陡的海滩上 ,总的沉积物的运移要小于自然海滩 ,而坡度较缓的海滩由部分持续浪造成的调制将非常重要 ,其输…     

沉积特征和波浪高度对描述海滩平衡剖面的形状参数的影响

形状参数可根据离岸距离和水深来确定海滩平衡剖面的形状。因此，形状参数应描绘所有环境因素对海滩剖面的影响，包括波浪气候和沉积物的特征。然而，所有的前人研究在定义形状参数时所考虑的只是沉积物的特征。本文研究的主要目的是在对海滩剖面定义时加上波浪气候因素，通过海浪波能在破波带上每单位体积的衰减速率来获取其对形状参数的影响。通过研究平衡状态下波浪衰减速率，形成了包括波浪气候和沙滩颗粒大小两种参数的海滩平衡剖面的新的定义理论。研究发现，沉积物的颗粒大小和波浪高度对海滩的形状参数的值有着显著的影响，而波浪周期的影响可忽略不计。通过能量守恒，也可获取在宏观尺度上波浪能量的强度对不同粒度大小的海滩剖面的影响。研究结果可用来解释两个任意拥有相同的沉积粒度海滩剖面，却有着不同的海滩剖面的组成结构。总之，本文通过增加波浪高度因素来定义形状参数，发展了Moore（1982）给出的海滩剖面的描述参数。     

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。     

规则波与不规则波作用下二维砂质海滩冲淤演变规律的研究及其运用

本文在总结、分析前人大量研究成果的基础上,进行了深入的实验分析,得出了影响二维砂质海滩冲淤演变的重要因素,特别是海滩特征坡度与输沙强度参数。运用波能耗散理论,本文推导了海滩冲淤判别式,给出了判别海滩冲淤类型的标准。作者用规则波与不规则波作用下的海滩演变资料进行了验证与比较。结果表明,判别式不仅能较好地判别不同波浪相继作用下的海滩冲淤演变特性,对预报不规则波浪作用下的海滩冲淤特性也有一定的适用性。     

非结构化网格下大范围波生流模拟和应用

波浪破碎引起的沿岸流是近岸海域的关键水动力因素。利用基于缓坡方程得到的光程函数方程和波作用守恒方程建立了考虑绕射效应的大范围波浪传播模型,模型可以考虑流场的影响;将波浪模型计算得到的辐射应力、波浪紊动系数等参数添加到三维水动力模型中,得到大范围近岸波生流的计算模型。模型中流场和波浪可以共用计算网格,且可同步耦合计算;模型基于非结构化网格,可以拟合复杂岸线的变化。模型对波生沿岸流、环流和逆流进行了验证,同时对实际海域的波生流进行了计算,结果表明:该模型对近岸波浪破碎引起的波生流具有很好的精度和适用性,可用于实际工程的计算。     

非结构化网格下近岸波生流数值模拟

波浪破碎产生的近岸流是近岸海域关键的水动力因素之一。基于近岸波浪的椭圆型缓坡方程和二维近岸波生流方程,建立了非结构化网格下近岸波浪破碎形成的近岸流数值模型。数值模型中,在空间上采用有限体积法进行数值离散,在时间上采用欧拉向前格式数值离散。数值计算结果表明,该数值模型可以有效地模拟近岸波浪破碎产生的近岸流。     

北戴河海滩泥沙捕获实验及其初步结果分析

介绍了利用泥沙捕获器观测破波带泥沙垂直分布结构的现场实验方法和基本程序，以及利用实验结果计算泥沙通量的方法。研究表明，近岸带泥沙运移通量及其在垂向上的分布受破波带相对位置和海滩地形变化的影响。在破波点附近，波浪的搅动和流场作用强，泥沙运移通量增大，泥沙在波浪的作用下可以大量进入垂直水体以悬移和跃移的方式运移。在本实验中，破波点附近的泥沙在距海底100cm的垂直水体中运移，通量垂向向上逐渐减小。远离破波点，泥沙运移通量和进入垂直水体的高度明显下降。在地形变化复杂的有坝海滩，沙坝顶部的泥沙运移通量最大，泥沙进入垂直水体运移的机率增加，而在沙坝问的沟槽内，波浪和海流作用减弱，泥沙通量和垂向进入水体运移的比例下降。     

海洋工程中直立圆柱波浪爬升问题的数值研究

本文基于Navier-Stokes方程和连续性方程,利用VOF方法捕捉自由液面和松弛造波法实行造波,建立基于黏性流体理论的三维数值波浪水槽,并在该数值波浪水槽内对圆柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟。选用两种不同的波浪参数,探讨波陡参数对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响。与势流模型相比,本文采用的黏性流模型可以较好的捕捉实验中出现的二次波峰现象。计算表明,本文建立的数值水槽可以较好用于直立圆柱波浪爬升问题的计算。     

近岸岛屿周围波生流的数值模拟

基于非结构网格有限体积法的环流模型,建立了相位平均的波流作用模型。模型中考虑了波浪破碎效应的三维辐射应力和波流作用下的扩散系数。通过模拟试验水池中人工岛和天然岛屿周围的波生流,对岛周围波生流的运动特征进行了分析。当波浪垂直入射到均匀斜坡上的人工岛时,岛周围产生回流和对称的环流,流速沿水深分布稍有差异。在天然岛屿中,入射波浪在近岸形成沿岸流。靠近岸线岛屿周围的沿岸流比离岸较远岛屿周围的流速大。这和辐射应力在浅水区域作用有关,岸线区域波生流特征明显。近岸岛屿周围在波浪辐射应力下产生不同的波浪增水,该波浪增水形成压力梯度进而促进岛屿周围的流态变化。     

海南亚龙湾海滩养护工程前后近岸波流场模拟研究

本文利用西班牙通用海岸工程模拟软件SMC,以海南亚龙湾海域为例,进行了拟建海滩养护工程前后近岸波浪场、波生沿岸流场和近岸输沙场的模拟研究,模拟结果显示海滩养护工程能够起到降低波能,改善近岸流场,减弱沿岸流强度和输沙强度的作用,表明拟建工程方案是合理可行的,能够起到稳定海滩的作用。     

海滩修复工程影响下的低能海岸波浪能量时空分布特征研究

本研究基于第三代海浪模式SWAN(Simulating Wave Nearshore),对茅尾海及其邻近海域波浪场进行了为期1 a的数值模拟,利用实测资料验证了该模型的可靠性。根据模型计算结果分析了茅尾海海域波浪要素的时空分布特征,在此基础上进一步探讨了波浪能量的输入耗散过程以及海滩修复对波浪能量空间分布的影响。研究发现茅尾海海域年平均有效波高空间分布不均,湾外年平均有效波高约0.2-0.4 m,湾内仅0.05-0.15 m,且存在较明显的季节变化特征,夏季波高大于冬季。研究区海域夏季波能输入与耗散项均大于冬季,全年主要的波能耗散过程为底摩擦耗散且空间分布不均,存在波能耗散密集区和稀疏区。海滩修复前后海滩前沿波浪能量分布变化显著,海滩修复后滩面前沿纵向轴线分布波高平均增加23.7%,波能增加63.0%,横向轴线上波高增加百分比随离岸距离的变大而逐渐减小,最大波高增加百分比为13.9%,最大波能增加43.8%。研究结果表明合理的海滩修复工程能够有效提升作用于滩面的波浪能量,从而改善修复海滩的动力条件,降低海滩泥化风险,有利于提高海滩质量。该研究可为低能海岸的海滩修复工程提供一定的科学依据。     

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。     

任意水深变化水域非线性波数值模拟

为了较为准确地计算沙质海岸沿岸输沙率,基于网格模型建立沙质海岸波浪的传播变化模型,根据求得的波高和波向分布特征,并考虑辐射应力等,计算波生流的分布。并在此基础上通过波浪最大底部轨道速度和沿岸流的分布特点,建立估算破波带内各网格单元上沿岸输沙率的分布模型。     

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。