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。     

新型直立式透空堤消浪性能数值研究

为使防波堤同时具有良好的掩护效果和水体交换能力,提出了两种带有透浪通道的新型直立式防波堤。基于Fluent求解器建立了三维数值波浪水槽,通过与试验结果对比,验证了该数值水槽求解波浪与透空堤作用具有较高的精度。对两种防波堤在规则波作用下的透浪特性进行了研究,结果表明:透射系数K_t与透空率呈正线性相关,且可通过调整透浪通道间距,使相同透空率下K_t降低20%～30%。对同一结构,K_t随相对波长的增大而显著增大,但受相对波高的影响较小。在透空率大于0.16后,异型沉箱防波堤的消浪性能明显优于错位沉箱。基于数值计算结果,给出了以上两种透空堤波浪透射系数的经验公式。     

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。     

关于Boussinesq型水波方程理论和应用研究的综述

Boussinesq型方程是研究水波传播与演化问题的重要工具之一,本文就1967-2018年常用的Boussinesq型水波方程从理论推导和数值应用两个方面进行了回顾,以期推动该类方程在海岸(海洋)工程波浪水动力方向的深入研究和应用。此类方程推导主要从欧拉方程或Laplace方程出发。在一定的非线性和缓坡假设等条件下,国内外学者建立了多个Boussinesq型水波方程,并以Stokes波的相关理论为依据,考察了这些方程在相速度、群速度、线性变浅梯度、二阶非线性、三阶非线性、波幅离散、速度沿水深分布以及和(差)频等多方面性能的精度。将Boussinesq型水波方程分为水平二维和三维两大类,并对主要Boussinesq型水波方程的特性进行了评述。进而又对适合渗透地形和存在流体分层情况下的Boussinesq型水波方程进行了简述与评论。最后对这些方程的应用进行了总结与分析。     

规则波作用下二维水平板冲击压力概率分析

通过模型试验的方式研究了波浪对二维水平板冲击压力峰值的概率分布。首先,统计分析了水平板底部各测点的压力峰值,发现密闭水平板底部各位置处的压力峰值分布与三参数威布尔分布吻合较好;然后,从统计学与概率论的角度进一步探讨了水平板底部各位置处压力峰值分布函数的参数与测量样本统计特征值之间的关系;最后,通过不同入射波浪工况的对比,分析了威布尔分布各参数与测点相对位置、入射波相对波高以及入射波相对波长之间的关系及其所代表的物理意义。统计分析显示:威布尔分布的相对位置参数(θ/-P)从水平板前端到后端呈现先增大后减小的趋势,在水平板中段较恒定(约为0.6);相对尺度参数(λ/-P),在水平板中段偏小,两端偏大;形状参数(κ)在相对波高较大时,在水平板的中段偏大,并且相对波长大于1.3时,κ在水平板的中部均值随相对波长的增大而减小,相对波长为2时,该值接近于1。     

处于海洋环境的桩柱在瑞利波作用下的响应

本文以一海洋深水环境桩柱为例,考虑到海洋地基为两相饱和土介质,基于Biot两相饱和多孔介质理论,通过数值算例分析了饱和介质中瑞利波加速度、位移分布规律并与单相弹性介质地基条件下进行了对比,结果表明,瑞利波主要作用于地表附近且振动幅度随深度衰减很快,饱和地基下的瑞利波影响深度要大于单相弹性地基,在瑞利波地震作用下,考虑两相饱和介质下的桩柱位移响应大于单相弹性介质地基。并且由于桩柱处海洋深水环境,本文对环境水体对桩柱振动响应的影响进行了研究,结果表明,流固耦合效应可明显降低桩柱运动响应,在海洋深水环境地震响应分析时,有必要考虑饱和地基以及流固耦合效应对桩柱运动响应的影响。     

海滩养护理论与试验研究进展

海滩养护是近年来国内外备受推崇的海岸防护措施。我国“十二五”规划中对于海岸防护及岸线恢复工作更加重视,加强海滩养护相关理论和技术问题的总结和评估是进一步做好此项工作的关键。文章回顾了海滩养护法在国内外的开展情况及有关海滩养护剖面设计的理论、物理和数值试验研究进展,分析了目前在海滩养护剖面研究及设计中存在的问题并指出：目前我国海滩剖面演变研究主要应用地质、地形学分析方法,应强调从水动力学角度研究泥沙与岸滩冲淤变化过程的关系;海滩养护设计中简单应用Dean的平衡剖面模式对补滩剖面进行设计存在很大不足,应从实际海滩剖面地形结构、滩面泥沙组成与输移和波浪运动特征等方面寻求改进与提高。     

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。     

波浪计算中的一个局部有限元法

本文提出了一个改进的局部有限元法以计算三维波浪问题。与K.j.Bai和R.W.Yeung所建立的局部有限元法相比,除了内域的势函数以外,不再有新的未知量,计算机程序的编制也要简单得多。     

作用于可渗可压缩海床上的墩柱底面上的波浪力

在坐于可渗可压缩海床上的大尺度墩柱的设计中,波浪引起的渗流浮托力是主要的环境因素之一.本文研究了圆柱墩所受到的由波浪引起的渗流压力.假定海床中的流体为可压缩的,其流动遵从达西定律,从土介质的平衡方程和流体的连续方程中消去土介质位移,最终的控制方程为以孔隙水压力为变量的泊松方程.在确定墩柱以外海床上的波压力分布时,忽略了海床渗流的影响,直接由MacCany和Fuehs的线性绕射理论得出.文中将渗流压力场分为两个子域:一个位于圆柱墩之下,是一个圆柱域;其他部分为第二个子域.对两个子域内的渗流压力求得了解析解,据此,可以计算作用在墩柱底面上的浮托力和倾覆力矩.该解适用于有限厚度海床的一般情况.