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。     

潜堤对波浪传播变形的物理模型试验研究

以不可渗透光滑潜堤为研究对象,基于波浪水槽试验,分析了规则波和不规则波通过淹没梯形潜堤时的波浪外部形态变化以及内部能量变化规律。探讨了不同波浪要素(周期、波高、淹没水深)对潜堤附近波高影响的变化规律。同时,探究了潜堤斜坡坡度、堤顶淹没水深对波浪频谱在频域分布的影响。研究结果表明:当波浪通过潜堤时,波浪主频能量衰减,波浪能量由低频向高频移动;潜堤斜坡坡度越大、堤顶水深越小,波浪主频能量衰减越剧烈;波浪通过潜堤后高频波能量占潜堤次生波能量的1%~30%。     

中咀湾避风港工程波浪分析及其应用

中咀湾是一个天然的避风良港,一般情况下外海波浪影响很小,主要受局部风场产生的局部风浪影响。本文采用曹宏生在Massel的扩展缓坡方程基础上推导出来的考虑陡变地形和能量耗散效应的缓坡方程为控制方程,结合固边界的反射边界条件,构成波浪传播变形的联合折射、绕射和反射的数学模型。文中将此方法运用在中国台州市大陈岛中咀湾避风港中,用波浪数学模型计算极端高水位和设计高水位时3种波况分别在3组重现期时工程海域的波浪要素,提供防波堤的堤前波高,并分析比较此处实心式和透空式防波堤的防浪性能。     

沙质岸坡上波浪传播变形及动力响应特性研究

波浪作用对水库岸坡稳定性有重要影响。为了解波浪在岸坡地形中的传播演变机制和孔隙水压力响应特性,在波浪水槽末端铺设长6 m、坡度1∶16的斜坡沙床进行试验。通过改变入射波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集斜坡段不同位置处孔隙水压力,分析了波浪在沙质岸坡上浅水变形区域内波面变化特征、波能演变规律以及岸坡土体孔压特征。结果表明：随着入射波浪厄塞尔数的增大,波浪浅水变形更加明显,波形不对称性加剧,各阶谐波之间互相作用更加强烈;水深较大区域,岸坡渗透作用大于浅水变形作用,波高呈现减小趋势;浅水变形剧烈区,浅水变形作用大于岸坡渗透作用,波高呈现增大趋势,最终破碎;孔压随入射波高与波周期的增大而增大,岸坡不同位置处孔压沿深度衰减速率和随波高增长速率均不同;岸坡孔压沿深度衰减速率与入射波周期呈现出正相关关系,与波高并无太大关系。     

防浪建筑物影响下珊瑚礁海岸波浪传播变形试验

通过测试一系列不规则波工况研究了防浪建筑物存在下珊瑚礁海岸附近短波、低频长波和增水的变化规律，并对比了防浪建筑物的不同位置情况。分析结果表明：波浪在沿礁传播过程中，短波波高沿礁坪持续衰减，低频长波波高沿礁坪逐渐增大，波浪增水则沿礁坪基本保持不变；海岸附近短波随着防浪建筑物与礁缘距离的变大而减小，低频长波则在防浪建筑物处于礁坪后部时达到最大，防浪建筑物位置的变化对于礁坪波浪增水的影响可以忽略。通过理论分析证明了珊瑚礁地形上低频长波是由于群波破碎造成的破碎点移动而产生的；当特定波况作用于特定位置的防浪建筑物时，低频长波在礁坪上会发生一阶共振效应导致其能量在海岸附近达到最大值。     

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。     

聚焦波浪在浅堤上传播变形高精度数值模拟研究

基于开源程序REEF3D,通过建立高精度二维数值波浪水槽,系统研究了聚焦波浪在浅堤上传播变形的规律,着重分析了聚焦波浪通过浅堤的水动力过程及能量变化规律,讨论了不同波浪要素对聚焦波浪传播特性的影响。除此之外,还考虑了双浅堤布置对聚焦波浪传播变形的影响。研究结果表明:极端波浪通过浅堤时,堤顶水深越小,波浪主频能量衰减越显著。在给定堤顶水深条件下,聚焦点与浅堤的相对位置对聚焦波浪能量的衰减影响较小。在双浅堤布置条件下,随着浅堤间距的增加,上下游浅堤的相互影响逐渐减弱,高频段的波浪能量也随之减小。     

珊瑚礁礁坪宽度对波浪传播变形及增水影响的实验研究

通过在波浪水槽中进行一系列物理模型实验, 研究珊瑚礁礁坪宽度变化对珊瑚礁海岸附近波浪传播变形及礁坪上波浪增水的影响。物理实验采用理想化的珊瑚礁模型, 测试了3种礁坪宽度下的一系列不规则波工况。实验结果分析表明: 波浪沿礁传播过程中, 短波持续衰减; 低频长波波高沿礁逐渐增大, 直到海岸线附近达到最大; 随着礁坪宽度的增加, 海岸线附近的短波波高呈下降趋势, 低频长波波高的变化规律不显著; 礁坪上的波浪增水受礁坪宽度变化的影响不明显; 通过对海岸线附近的波浪进行频谱分析发现, 礁坪上低频长波的运动存在着一阶共振模式, 且共振放大效应强度受礁坪水深、入射波峰周期和礁坪宽度共同影响。     

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。     

SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪模拟研究

基于浅水斜坡地形的物理模型试验数据,考察SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪的模拟效果,进而检验其浅水项的模拟精度。模拟中采用直接输入初始测点的实测海浪谱进行造波,重点考察浅水中三波相互作用和变浅破碎两个源项,对不同工况下,SWAN模式在水深条件变化下的有效波高、谱平均周期、海浪谱演化的模拟能力进行研究。研究表明:模拟的有效波高较符合实测波浪的增长和衰减,但谱平均周期计算值明显偏小;海浪谱的能量转移机制同实测有较大区别,频谱模拟结果出现高频高估、低频低估现象。对两个源项进行对比分析得出三波相互作用对海浪谱的能量转换影响远大于变浅破碎耗散。想要提高近岸区谱平均周期和海浪谱的模拟精度则SWAN模型中三波非线性项的计算精确度仍需更多研究和改进。     

海浪特性及其传播变形研究新进展

综述第27届国家海岸工程会议（ICCE2000）上有关海浪特性及其传播变形研究的新进展，内容包括海浪的时域特性，海浪的特征，海浪的传播变形和波浪的破碎，反射等四部分。     

基于物理造波和主动消波的黏性数值波浪水槽开发

基于推板造波理论和摇板造波理论,在Open FOAM平台上采用重叠网格技术建立黏性数值波浪水槽,并使用一种结合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法对数值模型进行求解。利用开发的数值模型通过数值收敛性测试和网格独立性测试分别重点研究了时间步长、库朗数和网格尺寸对数值精度和计算效率的影响。并对比研究了此数值模型分别嵌入层流模型和湍流模型的计算精度和计算效率。实现的规则波和二阶有限振幅波与理论结果和试验结果吻合,验证了此黏性数值波浪水槽的造波和主动消波功能。基于二维数值波浪水槽,进一步研究了三维数值造波,数值计算结果与理论结果吻合良好。研究结果不仅验证了重叠网格在二维和三维两相流体域中求解运动物体与流场交互的可靠性和正确性,而且为使用此黏性数值波浪水槽解决更复杂的海洋工程问题提供了依据。     

Effects of wave breaking on wave statistics for deep-water random wave train

The experimental studies of the breaking effects on wave statistics for deep-water random waves are presented. It is especially focused on the behavior of kurtosis of surface elevations due to wave breaking. Wave breaking suppresses the maximum limit of kurtosis of the surface elevation, although skewness depends on characteristic wave steepness. The mean instantaneous wave steepness of breaking waves defined using the zero-down-crossing method was much lower than expected from the Stokes waves.     

The physical simulation of wave groups and their variations in a wave flume

The physical simulation method of wave groups in a wave flume is proposed and verified by the exper- iments. The experimental results demonstrate that random waves with desired wave groupiness, which simultaneously includes the wave group height and length, can be generated satisfactorily at the specified position in a wave flume using the proposed method. Furthermore, the transformation properties of the wave groupiness along the fiat-bottomed wave flume are investigated based on the physically simulated waves. Associated proposals with the physical simulation of wave groups are given.     

Exact solution and approximate solution of irregular wave radiation stress for non-breaking wave

Wave radiation stress is the main driving force of wave-induced near-shore currents. It is directly related to the hydrodynamic characteristics of near-shore current whether the calculation of wave radiation stress is accurate or not. Irregular waves are more capable of reacting wave motion in the ocean compared to regular waves.Therefore, the calculation of the radiation stress under irregular waves will be more able to reflect the wave driving force in the actual near-shore current. Exact solution and approximate solution of the irregular wave radiation stress are derived in this paper and the two kinds of calculation methods are compared. On the basis of this, the experimental results are used to further verify the calculation of wave energy in the approximate calculation method. The results show that the approximate calculation method of irregular wave radiation stress has a good accuracy under the condition of narrow-band spectrum, which can save a lot of computing time, and thus improve the efficiency of calculation. However, the exact calculation method can more accurately reflect the fluctuation of radiation stress at each moment and each location.     

波浪非线性对海草消波特性的影响

海草所形成的植物消波体系能有效防止岸线的侵蚀。利用Sánchez-González等的实验数据分析了波浪非线性对海草消波特性的影响。研究结果表明，相对水深和波陡对海草床的波能衰减系数影响依赖于海草淹没度。相对波高一定时，拖曳力系数随相对水深的增大而增大。对给定的相对水深，拖曳力系数随波陡的增大而减小。波浪非线性对于规则波和非规则波海草消波特性的影响并不一致。用无量纲参数（邱卡数、雷诺数、厄塞尔数）表达拖曳力系数的效果取决于拖曳力系数与无量纲参数的关系中是否充分考虑波浪非线性对拖曳力系数的影响。     

近40年中国近海波浪数据库的建立及极值分析

采用TOMAWAC模型模拟近岸40年的波浪要素。波谱计算采用36个方向,模拟波周期范围为1.5～29 s,并对极值波况进行分析。统计了1979—2018年间有效波高的年极值,算得百年一遇的有效波高,发现百年一遇波高由北往南总体呈现增大趋势:渤海和黄海的百年一遇的波高不超过10 m;东海百年一遇的波高在15～22 m之间;南海北部百年一遇波高的范围比较大,靠近台湾部分最大达到了22 m,海南岛西部较小,在10～15 m之间。引用SET值相关指标对极端波浪的发生次数、持续时间和强度进行分析,发现渤海、黄海北部、台湾海峡以及南海西北部极端事件频繁发生,平均每年有5～7次,台湾岛西南部极端事件的平均历时最大,达到了32 h。     

Infra-gravity wave generation by the shoaling wave groups over beaches

A physical parameter, μb, which was used to meet the forcing of primary short waves to be off-resonant before wave breaking, has been considered as an applicable parameter in the infra-gravity wave generation. Since a series of modulating wave groups for different wave conditions are performed to proceed with the resonant mechanism of infra-gravity waves prior to wave breaking, the amplitude growth of incident bound long wave is assumed to be simply controlled by the normalized bed slope, βb. The results appear a large dependence of the growth rate, α, of incident bound long wave, separated by the three-array method, on the normalized bed slope, βb. High spatial resolution of wave records enables identification of the cross-correlation between squared short-wave envelopes and infra-gravity waves. The cross-shore structure of infra-gravity waves over beaches presents the mechanics of incident bound- and outgoing free long waves with the formation of free standing long waves in the nearshore region. The wave run-up and amplification of infra-gravity waves in the swash zone appear that the additional long waves generated by the breaking process would modify the cross-shore structure of free standing long waves. Finally, this paper would further discuss the contribution of long wave breaking and bottom friction to the energy dissipation of infra-gravity waves based on different slope conditions.     

应用特征波预报公式进行台风浪计算的一个根本缺陷

Wilson方法和井岛方法均是移动风区上著名的波浪推算方法,被广泛应用于台风波浪的推算和预报上。本文通过分析指出:使用上述方法以海洋工程界所推行的风浪预报公式作台风浪推算时,所得特征波波陡将与台风浪实测波陡分布定性不符,并指出产生这种缺陷的原因。     

Outer wave number spectrum and statistical distribution of apparent wave number vector

Based on the ray theory and Longuet-Higgins’s linear model of sea waves, the joint distribution of wave envelope and apparent wave number vector is established. From the joint distribution, we define a new concept, namely the outer wave number spectrum, to describe the outer characteristics of ocean waves. The analytical form of the outer wave number spectrum, the probability distributions of the apparent wave number vector and its components are then derived. The outer wave number spectrum is compared with the inner wave number spectrum for the average status of wind-wave development corresponding to a peakness factor P = 3. Discussions on the similarity and difference between the outer wave number spectrum and inner one are also presented in the paper.