破碎波群的显著特征指标

群发性是风浪破碎的显著特征,最近的研究表明风浪破碎研究应该基于波群而不是单个波。本文探讨破碎波群区别于非破碎波群的显著特征指标。依据一系列风浪破碎实验数据,采用多种判据与实验现场目测的破碎标记信号相结合的原则划分破碎波群与非破碎波群,考查波群特征量、单个波几何特征量、局地破碎判据指标、波包络几何特征量以及波群能量结构特征量等5大类28个指标在破碎波群与非破碎波群上的分布差异。结果表明:波陡、峰前波陡、瞬时波面斜率、运动学判据指标和动力学判据指标等在破碎非破碎波群上的分布几乎没有交叠;后两者尤为理想,分布明显分离,是破碎波群区别于非破碎波群的显著指标;而其它各指标在破碎波群非破碎波群上的分布都有不同程度的交叠,不能单独依据它们区分破碎波群与非破碎波群。     

一种海浪破碎的判别方法

本文提出一种以波面斜率为判据的海浪破碎的判别方法,其中使用的波相速(作为时间函数)是由Hilbert变换技巧自固定点波面高度记录计算出来的.用实验室机械产生的波列对此方法作了检验,效果较满意;将此方法用于外海风浪破碎的判别,就仅取得的6和5m/s风速下的结果而言,是定性合理的.     

破碎波与非破碎波的特征差异

借助风浪实验现场的破碎事件记录,采用多种判据同时判别的方法划分破碎波与非破碎波,考查了各种破碎判据指标在破碎波与非破碎波上的分布差异.结果表明;依Hilbert变换计算的动力学判据指标和运动学判据指标在破碎波与非破碎波上的分布有明显分离,存在一个稳定的阈值区分破碎波与非破碎波;由小波方法计算的动力学判据指标在破碎波与非...     

破碎波群间隔统计分布

基于一系列实验室风浪破碎实验,讨论破碎波群间隔的统计分布。实验时风速分别设定在6～9 m/s间几个不同的风速水平,破碎波群间隔定义为两个相继发生破碎的波群中破碎首发时刻之间的时间间隔,破碎依据波面信号和实验者同步记录的破碎标记信号判别,分布拟合检验采用Kolmogorov-Smirnov检验。数据分析结果表明:1)所有实验信号的破碎波群间隔都服从Gamma分布;2)低风速情形的破碎波群间隔大多服从指数分布——Gamma分布的一种特殊情形;3)相同实验条件下的破碎波群间隔具有相同的分布。这意味着破碎波群的发生可以视为一种更新过程。     

深水极端波浪非线性几何特征试验分析

为了解极端波浪非线性特征,明确波群在演化过程中的水动力学特性,针对一系列高斯波群进行了深水物理试验分析。试验结果显示,增加波陡或波群宽度,均可使波面偏度Sk发生明显变化,尤其当波浪发生破碎后,在破碎区域内,波面偏度变化范围剧烈增大,说明该偏度极大值可能作为判断破碎的一个指标。波陡和波群宽度对波面不对称度影响程度不同:当波陡或波群宽度增加后,波峰不对称度所受影响最大,波峰前端波谷不对称度次之,波峰后端波谷不对称度所受影响最小,但仍不可忽略。在波浪演化过程中,幅值谱出现不同程度频带下移,波浪破碎后,会出现永久频带下移;当调制不稳定发生时,随着调制不稳定指数增加,频带下移量呈现快速增长趋势。     

微尺度滑动平均方法计算海浪谱奇阶矩的公式

Glazman提出了一种计算海浪谱高阶谱矩的微尺度平均方法,但是,他利用随机过程理论导出的计算偶阶矩的公式和参照偶阶矩结论定义的奇阶矩计算公式之间存在着内在的不一致性.本文在Glazman工作的基础上根据随机过程理论推导了“微尺度平均方法”计算奇阶谱矩的公式,纠正了他的错误.上述结论随即应用于讨论破碎对波面水质点水平速度分布的影响.通过破碎的加速度判据考虑了破碎对速度分布的限制,给出了未破碎波面上水质点水平速度的的统计分布的初步结果.该分布取决于谱宽度参数及白浪覆盖率的大小,当白浪覆盖率较大时明显偏离正态分布.     

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。     

深水破碎波判据的研究──Ⅱ．一种风浪破碎判据的模式及实测结果分析

本文在讨论破碎波判据研究的基础上(文献[1]),根据前人的破碎波研究结果,以及海浪的随机性,建立了一个包含摩擦风速和波浪要素的破碎波判据计算模式,报告了在海上和实验室进行验证的实测结果.其特点是利用良好的现场观测条件和先进的实验设备,对破碎波进行了测量,首次通过划分破碎波的状态,合理地给出了破碎波判据的实测结果,并比较分析了其他几种波浪破碎判据的实测结果及使用范围.本文的计算风浪破碎判据的模式与外海实测结果比较接近,但与实验室测量结果相差较大.     

风作用下孤立波在珊瑚礁上传播变形机制数值模拟研究

基于二维不可压缩两相流模型建立了数值风浪水槽,采用SST k-ω雷诺时均湍流模型,研究了风作用下孤立波在珊瑚礁上的传播变形规律。将计算结果与实验数据对比,证明了该两相流模型计算孤立波在珊瑚礁上传播的准确性,并进一步分析了不同风速对珊瑚礁上孤立波传播变形的影响。结果表明：风的作用会使波面发生随机脉动特征。当地波高随风速的增大而增大;当地波高关于风速的变化梯度随入射波高的增大而增大。风的作用会加快孤立波的传播并且使孤立波提前发生破碎;孤立波开始破碎的位置随风速的增大向远离礁坪的方向移动。反射系数随风速的增大而增大;反射系数关于风速的变化梯度随入射波高的增大而减小;透射系数随风速的增大呈增大趋势。平底区波峰剖面同一水深处的水平流速随风速的增大而增大;且一定的风速不改变水平流速沿水深的变化梯度。有风时波面上方的矢量密度和大小均明显高于无风时且与风速呈正相关,并且波峰上方气流不再循环。随着风速的增大,水气交界面附近的正涡量和负湍流剪应力减小,负涡量和正湍流剪应力增大。水体动能、势能和总能达到高值的时间随风速的增大而减少;水体动能、势能和总能随风速的增大而增大,并且风速对水体动能的相对影响大于势能。     

破碎波冲击直立桩柱的大比尺试验研究

波浪破碎是海洋中最常见的现象之一,其能够对海洋中的结构物产生巨大的波浪力作用。本文在大比尺波浪水槽通过聚焦波的方法生成了极端波浪和不同破碎阶段的破碎波浪,并对其冲击桩柱过程中的点压力进行了测量,进而采用连续小波变换的方法,对桩柱上点压力的分布及大小进行了细致分析。结果表明,多次重复试验下,相比非破碎极端波浪,破碎极端波浪产生的点压力离散性更强;波浪破碎程度越大,测点位置越靠近波峰,则点压力离散程度越大;破碎波的最大点压力出现在1.2倍的最大波面附近,且其大小可达3倍的最大静水压力;基于点压力小波谱,不同破碎阶段破碎波产生冲击作用不同,对于波浪作用桩柱前波浪已经发生破碎的情况,其冲击区域更大,点压力分布更复杂;而对于桩面破碎的情况,其造成的波浪总力更大。     

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。     

破碎波概率分析及实测结果

总结破碎波近年来的研究状况，从理论上对计算破碎波发生率进行分析。并利用先进的实验设备和良好的现场条件，从实验研究出发，在研究波浪破碎过程及其与环境参量的关系中，对破碎波发生率进行实际测量。利用不同的破碎波判据对破碎波发生率进行了计算、比较和分析，结果指出；利用不同的破碎波判据计算的破碎波发生率相差很大，甚至相差３～４倍。     

海洋破碎波判据研究

海洋破碎波是海气交换、海洋工程、海浪预报等研究中的重要物理现象，是全球变化研究以及海洋空间探测技术研究中必须要考虑的重要因素之一。在海洋破碎波研究与应用中的首要的问题是选择准确可靠的破碎波判据。本文总结了破碎波判据的研究状况，给出了各种波浪破碎波判据的表达形式及其相互间的换算关系；通过分析破碎波判据的理论与实验研究结果，提出了一个包含风场和波参量的风浪破碎判据的计算模式及实测结果验证，同时给出了各种破碎波判据及破碎波发生率的实测结果。这是国内首次进行海洋破碎波判据研究的报道。     

深水破碎波判据的研究：I.破碎波判据的研究概况及计算方法

本文总结了近百年来破碎波判据的研究状况，全面分析了深水波浪破碎的理论与实验研究结果，就深水破碎波判据的研究方法和适用性进行了广泛讨论。给出了各种波浪破碎判据的表达形式及其相互间的换算关系；总结了破碎波实例资料的处理方法。     

深水破碎波判据的研究──Ⅰ．破碎波判据的研究概况及计算方法

本文总结了近百年来破碎波判据的研究状况，全面分析了深水波浪破碎的理论与实验研究结果，就深水破碎波判据的研究方法和适用性进行了广泛讨论。给出了各种波浪破碎判据的表达形式及其相互间的换算关系；总结了破碎波实测资料的处理方法。     

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。     

活跃破碎的图像识别

破碎波峰线长度的速度谱Λ(c)及其高阶矩是研究破碎能量耗散、动量通量等关键问题的有效工具。活跃破碎的图像识别是正确计算Λ(c)的一个关键前提。Kleiss等2011年给出了一种基于对数累积灰度函数(L)的导函数区分活跃破碎与尾迹的阈值方法,但阈值的确定仍存在一定的主观性,得到的破碎阈值可能偏低。我们通过对渤海海域拍摄的白冠破碎观测资料的分析,发现L函数的二阶导数往往存在稳定的次峰,次峰所对应的灰度值正可作为区分活跃破碎与尾迹的灰度阈值,由此提出一种基于L函数二阶导数次峰的阈值确定方法。     

分段式造波机生成波浪内外部结构的一致性分析

用60个波高仪组成2m×2m的方阵,同步测量波面过程,用Doppler声学流速仪获得了二维正向和斜向规则波、二维正向和斜向随机波以及三维随机波浪场中不同水深处的同步Euler水质点速度各方向分量的高精度的时间过程资料.以此为出发点,讨论了分段式造波机生成波浪的周期分布特征,发现三维随机波浪周期分布的μ值与二维随机波浪比较有明显增大的趋势.分别从速度合矢量方向与波向的吻合程度(对二维波浪)、"多点波面"组合与"波面-水质点速度"组合两种方式得到方向谱的吻合程度(对三维随机波浪)等不同角度,论证了分段式造波机产生的波浪的内外部结构的一致性.     

风浪槽内风浪外频谱谱形的一些特征

利用实验室风浪槽内测得的波面序列资料估计风浪外频谱。通过与实测风浪内频谱的比较,研究实测风浪外频谱的谱形特征,探讨海浪外频谱与内频谱的相似性问题。此外,还检验一种理论海浪外频谱。     

可控深水破碎波的实验室生成方法研究

实验室一般采用波浪聚焦方法生成深水破碎波,通过各组分波浪的波幅叠加生成一个波高显著增大的大波,使其波陡超过极限波陡发生破碎。利用该方法生成深水破碎波浪的破碎次数通常并不唯一,导致波浪破碎后的流场特征不明显;造波参数不易于选取导致研究工况的设置难度大,直接影响深水破碎精细化实验的效果和效率。本文采用聚焦波理论计算波面,并利用上跨零点法定义的波高和波长计算理论波陡,结合物理模型实验统计波浪沿程破碎次数与剧烈程度,研究以JONSWAP谱为造波输入谱型时,聚焦波幅、谱峰频率、频宽等造波输入参数对于波浪破碎情况的影响,从而建立深水波浪破碎次数与造波输入参数之间的近似定量关系,为实验造波参数的选取提供参考,提高实验效率。