Hyperbolic Mild Slope Equations with Inclusion of Amplitude Dispersion Effect： Regular Waves

A new form of hyperbolic mild slope equations is derived with the inclusion of the amphtude dispersion of nonlinear waves. The effects of including the amplitude dispersion effect on the wave propagation are discussed. Wave breaking mechanism is incorporated into the present model to apply the new equations to surf zone. The equations are solved nu- merically for regular wave propagation over a shoal and in surf zone, and a comparison is made against measurements. It is found that the inclusion of the amplitude dispersion can also improve model＇ s performance on prediction of wave heights around breaking point for the wave motions in surf zone.     

A 3-D time-domain coupled model for nonlinear waves acting on a box-shaped ship fixed in a harbor

A 3-D time-domain numerical coupled model is developed to obtain an efficient method for nonlinear waves acting on a box-shaped ship fixed in a harbor. The domain is divided into the inner domain and the outer domain. The inner domain is the area beneath the ship and the flow is described by the simplified Euler equations. The remaining area is the outer domain and the flow is defined by the higher-order Boussinesq equations in order to consider the nonlinearity of the wave motions. Along the interface boundaries between the inner domain and the outer domain, the volume flux is assumed to be continuous and the wave pressures are equal. Relevant physical experiment is conducted to validate the present model and it is shown that the numerical results agree with the experimental data. Compared the coupled model with the flow in the inner domain governed by the Laplace equation, the present coupled model is more efficient and its solution procedure is simpler, which is particularly useful for the study on the effect of the nonlinear waves acting on a fixed box-shaped ship in a large harbor.     

波生沿岸流数值模拟

为了更好地研究近岸海域波生沿岸流,建立了基于高阶Boussinesq水波方程的波生沿岸流时域数值模型。控制方程在中等水深范围内具有较好的色散性和变浅作用性能,同时具有二阶完全非线性特征,适合描述近岸区域波浪强非线性运动。通过采用松弛造波方法实现了非线性波浪的无反射入射,采用周期性侧边界条件模拟开敞边界。通过数值试验,讨论了模型中主要参数对数值结果的影响。利用率定后的参数模拟了均匀坡度海岸上产生的沿岸流,通过和实验数据的对比验证了模型的准确性和适用性。利用模型数值模拟了不同波浪入射条件(包括周期、波高和波浪入射角度)对波生沿岸流的影响。     

系泊船非线性波浪力时域计算:二维模型

为找到具有工程实用价值的港口系泊船波浪力的时域计算方法,建立了在港口中存在系泊船时非线性波浪力时域计算的垂直二维耦合模型:用Boussinesq方程计算船的两侧的外域,用欧拉方程计算船底面下的内域,两域在交界面处的连接条件是流量连续和压力相等.将复平面内的边界元方法应用于所研究问题,对耦合模型进行了验证.进行了相关模型实验,实验结果与数值计算结果比较表明这两种数值计算模型都具有满意的精度,但耦合模型的计算效率要远远高于边界元方法的计算效率.本耦合模型的数学处理简单,可适用于工程计算.     

近岸海域波浪场中污染物运动的实验研究

通过实验模拟,研究了缓坡海岸带(坡度为1:100和1:40)波浪场中污染物的运动.给出了污染物在波浪破碎区和非破碎区运动范围的变化,讨论了在规则波和非规则波作用下波浪破碎区和非破碎区污染物运动的宏观变化趋势.     

波浪作用下沙坝不稳定性实验研究

对波群、规则波和不规则波作用下沙质海岸上沙坝运动进行了实验研究。研究沙坝产生的机理和不稳定性,以及不同波浪下所产生的海岸平衡剖面形状。实验中发现,波浪作用下沙坝处于向岸和离岸运动的不稳定状态,其原因可由地形不稳定性分析。探讨了波群调制系数对沙坝运动的影响,讨论了不同波况对海岸剖面形态的影响。     

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。     

黄河口地貌形态演变过程数值模拟

由于黄河口来水来沙量大、变化频繁,黄河河口呈现形态多样和多变的特征。采用数值模拟再现这些特征可以揭示河口地貌形成机理和演化过程。采用计算模拟方法对黄河口动力地貌特征演变过程进行了数值模拟,再现了黄河口的2种地貌形态(双槽单浅滩型和单槽双浅滩型)。模拟采用水深平均水平二维水动力模型、泥沙输运模型以及与地形演变方程相结合的耦合模型。对耦合模型的求解采用了能够捕捉间断解的高精度的WENO差分格式。对黄河口地形演变过程纵向剖面、横向剖面和平面形态的计算结果与实际测量结果进行了比较,讨论了黄河来水来沙、潮流幅值变化对不同地貌形态之间相互转化的影响,并考虑了河口两岸淤长(动边界)对地形计算结果的影响。计算结果表明,可以实现对黄河口地貌演变的模拟预报,且模拟演变趋势与实际观测趋势大致一致,为今后模拟黄河口地貌特征的演变提供计算模型和算例参考。     

波浪场中浓度输移扩散Stokes漂移效应的欧拉描述

为了说明波浪场中浓度输移扩散Stokes漂移效应的欧拉描述方法,采用欧拉方法推导了波浪场中波浪周期平均的浓度输移扩散方程,其对流项是由波浪速度的波动和物质浓度的波动相互作用而产生,所含的对流速度恰是Stokes漂移速度。由此说明,波浪场中浓度扩散问题的Stokes漂移效应可以自动的由欧拉法来考虑,所得到的Stokes漂移效应与拉格朗日描述的结果是等价的。为了进一步说明这一问题,将粒子追踪法的拉格朗日描述的Stokes漂移速度与欧拉法的结果进行了对比,二者是一致的。研究中也数值求解了线性波浪场中σ坐标下浓度扩散方程,将浓度的Stokes漂移、浓度分布和粒子追踪法的结果进行了对比,以证明欧拉描述和拉格朗日描述两种方法的等价性。研究中也根据实验结果对实际波浪场中Stokes漂移效应所引起的浓度漂移进行了讨论,解释了物理模型实验中的观察到的波浪场中浓度漂移现象。