椭圆余弦波的数值计算及其特性研究

椭圆余弦波能很好地描述浅水区域波浪运动特性,尤其是波浪破碎后形成的击岸波水质点运动规律、波速及波面形态,但按以往的理论,因椭圆积分计算上的繁杂往往给应用带来不便。按本文的方法对椭圆余弦波进行数值求解具有方法简便、正确迅速、便于应用的优点;同时,文中探讨了椭圆余弦波的各种特性,包括相对波峰高度、底面最大流速、波速、波能流及辐射应力和波浪破碎后的平均水面变化值。计算表明,这一方法比较符合试验资料及实际情况。     

有限水深下独立波群的能量变化试验研究

为了研究独立高斯型波群在中等水深条件下的非线性演化情况,进行了多种波况的物理试验,重点分析了波浪各要素对波群非线性演化的影响。试验结果表明,波陡在波群演化中占主导作用,其次是波群的谱宽,前者引起的非线性主要体现在高阶谐波的能量变化而后者引起的非线性主要体现在自由波能量的变化。频带下移现象只在大波陡情况下才会发生,随着波陡的增加,频带下移发生的相对更早,随着波群的谱变窄,频带下移相对越明显。波陡的增加会使得波群更早的开始分裂。大波陡的波群在演化中会发生破碎,破碎的类型以崩破为主,并且崩破是间歇发生的,连续崩破发生的距离约为1.0～1.5倍波长。此外,破碎引起的能量损耗主要来源于主频和高频成分波,耗散率约10%～18%,平均每个崩破能耗约为初始能量的2%。     

缓坡非均匀流场中随机波传播的折绕射联合模型

文中导出缓坡非均匀流场中传播的随机波的谱密度分量的折射和折绕射联合模型,给出两种地形波流同线和斜交的、不同流速值的顺、逆流传播波动的数值解.论述随机波在地形和流共同作用下的传播规律.在不同情况下我们推荐了应用折射或折绕射联合模型计算的方法.     

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。     

混成堤直墙上破波作用

高基床混成堤前波浪将发生破碎，基床顶直（胸）墙上将承受破波或破后波作用。本文在以往研究的基础上，根据综合试验的大量资料，进一步揭示破波形成的主要条件和破波作用的基本规律，包括复合因素ξ~＊和浅水Ｄ／Ｌ因素相对基肩宽度ｂ／Ｌ、基床坡度系数ｍ的综合影响，并获得较完整的计算方法。     

不同滩形对卷波破碎引起的紊动能量与能损分析

卷破波对海岸具有强烈的侵蚀作用,其破波能量变化是评估岸线侵蚀的重要参照.本文基于FLOW-3D软件,对平直滩形和沙纹滩形上卷破波的破碎进行了模拟,在验证模拟可靠性的基础上,获得破浪破碎造成的紊动能量与波高、坡度和地形的关系.通过快速傅里叶变换和波能计算公式求得各工况破碎前后波能和破波能损率,发现平直滩形破波能损与坡度和...     

浅水破碎波对直立圆柱作用力的试验研究

分析了桩柱破波力的构成特性,认为破碎波与桩柱作用过程中在不完全绕流区将出现由于附连质量迅速变化引起的冲击力和柱前后波面高度差引起的附加压差力;影响破碎波对直立圆柱作用力的因素应该包括确定破波特性的水底坡度i、入射深水波陡H_0/L_0及代表圆柱对破波作用影响的相对柱径D/H_0。通过从i=1/100到1/15五种底坡上桩柱破波力的系统试验,探索了桩柱破波力的作用特性,归纳了计算桩柱破波力的经验公式。     

黄河三角洲堤前泥沙起动现场观测研究

使用波潮仪、流速计以及浊度计现场测量记录海堤前的波高、潮高、流速和浊度值,与室内测定的浊度和水中悬浮颗粒物含量对应值比较,分析计算浊度与现场测量波高、潮高、流速水动力因素间的相关性,得出堤前泥沙起动的决定性水动力因素。在悬移质运移为主情况下,由于海堤的阻挡,波浪破碎产生的旋涡和紊动是泥沙起动的主要动力因素,泥沙起动量与波高值呈现较高相关性;海堤前复杂水动力条件中,波浪破碎前的流速值与悬移质泥沙起动量相关系数较小,启动流速的主要组成部分是破波产生的旋涡和紊动的流速。     

波浪在浅水区的变形及破碎

利用波作用的守恒原理分析了波浪及波浪谱在水流作用下的变形;讨论了由于波的存在引起的水流速度垂线分布的变化;研究了不规则波的破碎准则;提出了浅滩上波浪谱变形及破碎的新方法以及计算破后波的VOF方法;最后讨论了方向谱在水流中的变形问题.     

岛礁地形上斜坡堤前破碎波流场数值模拟研究

基于SPH方法建立波浪数值水槽,对岛礁地形上的波浪传播变形进行了数值模拟,分析了岛礁地形上波浪破碎过程的波高和水质点波动流速分布,并采用波浪水槽物理模型试验数据进行对比验证。结果表明,该模型可以较准确地模拟岛礁地形上波浪破碎引起的波高和波动流场沿程变化。在此基础上模拟了礁坪上建设斜坡堤后的波动流场,分析了斜坡堤对礁坪上流场形态、沿程波高、波动流速垂向分布及近底流速的影响。结果表明：在建设斜坡堤后,礁坪上波浪破碎更加猛烈,波浪破碎点前移;沿程波高与波动流速受反射波影响明显,沿程波高变化呈现为先增大、再减小、再增大,最后在防波堤堤脚处减小,近底流速变化趋势则与之相反;在堤前半倍波长范围内反向近底流速峰值较非岛礁地形上规范公式计算值增幅较大。     

波浪作用下方块石护面稳定性研究

护面是海堤和护岸的重要结构,直接抵御波浪作用,可采用人工块体、块石等,种类繁多。采用紧密排列方块石作为护面结构是一种景观性较好的型式,依据方块石厚度不同能抵御不同大小的波浪作用。干砌条石及干砌块石护面曾有一些规范给出过计算方法,但现行规范没有相关内容可供设计参考,已有计算方法的理论分析还存在不足。当波浪与斜坡堤相互作用时,方块石护面出现位移或脱落可能发生在波浪回落最低阶段、波浪破碎打击阶段及破后爬高水流作用阶段,通过研究得到了不同阶段波浪对方块石护面作用力的计算方法。在波浪回落最低阶段,考虑了护面及其下方垫层渗透性影响,通过理论分析建立了低渗透护面浮托压强计算模型,采用物模试验将计算结果与试验测量值进行了对比分析,结果表明总体趋势符合,量值接近;在波浪破碎冲击阶段,基于射流冲击作用原理,提出了波浪在斜坡面破碎冲击压强计算方法,通过试验分析了波浪破碎水深波高比与破波相似参数的关系,利用浅水波理论计算了波浪破碎冲击水流流速;在爬高水流作用阶段,提出了水流引起的方块石护面垂直浮托力及水平拖曳力的计算方法,通过试验结果拟合了浮托力系数和拖曳力系数,验证了水流作用下护面的受力特征。最后,针对方块...     

破碎波作用下圆端形桥墩受力特性数值模拟

当波浪由外海向跨海桥梁所在的近岸海域传播时,随着水深急剧变浅,波浪会发生破碎。强非线性的破碎波会给桥墩结构带来极大冲击作用。基于计算流体力学(CFD)数值软件Flow-3D建立三维数值水槽,造波边界设为斯托克斯五阶波。通过在数值水槽中建立逐渐浅化的三维地形,采用k-ω湍流模型求解雷诺平均N-S(RANS)方程,模拟破碎波冲击桥墩。与前人水槽试验及数值模拟结果进行比对,验证数值水槽的有效性。采用验证过的数值水槽,研究了不同入射波高和周期下的破碎波浪特性,计算了不同长宽比圆端形桥墩在不同入射波高的破碎波作用下受力和流场变化,讨论了最大压强作用点、准静态力和冲击力随桥墩长宽比的变化规律。研究表明:与前人试验和数值模拟相比,所建立的数值水槽具有较高精度;圆端形桥墩破波力随桥墩长宽比增大,先增大后趋于稳定,破波力峰值随着入射波高的增大而增大,同时,圆端形桥墩破波力峰值主要由冲击力控制。进行跨海桥梁圆端形桥墩设计时,应重点关注桥墩长宽比和破碎波冲击力的影响。     

不同结构形式潜堤上的随机波浪运动

潜堤在海岸保护和促潍保淤中具有重要的意义。工程效益和经济投入受到潜堤结构形式和高度的影响。基于RANS方程和流体体积（VOF）方法的模型,计算不同潜堤上的波浪运动。潜堤形式包括矩形结构、梯形结构、半圆结构和槽形结构。模拟了不规则波越堤时波浪的破碎特征、破波类型以及波高的变化。通过分析流场和波高分布的变化,得到潜堤上波能散耗的规律,并且得出最优潜堤结构形式。讨论了相对堤顶高度、破碎点位置、相对堤顸宽度、波陡和潜堤结构形式等对波能耗散的影响。     

高桩挡板透空式防波堤消浪性能数值研究

以RANS方程为控制方程,基于有限体积法,在动量方程中添加源项,建立了具有造波‐消波功能的数值波浪水槽。利用建立的源项造波数值波浪水槽,模拟了高桩挡板透空式防波堤在规则波作用下的消浪效果,完整地再现了堤前堤后的流态,分析了挡板相对入水深度对透浪系数的影响。在与试验值及拉帕公式对比后发现,数模计算结果与试验值较接近,拉帕公式偏大。研究了堤顶相对宽度、相对水深、相对波高对透浪系数的影响并提出修正公式,修正公式与计算值和试验值吻合较好。     

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。     

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。     

堆石防波堤不规则波浪反射系数试验研究

结合物理模型试验,分析斜坡坡度、波陡、相对水深、护面类型和破波参数等因素对堆石防波堤不规则波浪反射系数的影响规律。将常用的Van der Meer公式,Seelig公式,Postma公式和Davison公式计算值和实测值进行比较,并结合试验数据,基于有效波高和平均周期定义的Iribarren数,得出堆石防波堤不规则波浪反射系数经验公式。结果表明,该公式能较好地计算不规则波作用下块石和扭王块体护面堆石防波堤波浪反射系数。     

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.     

波-流联合作用场中流的等效作用研究

针对波-流相互作用问题中的流速沿水深非线性分布的水流处理方法问题,提出了“等效均匀流”概念和相应理论,使非线性分布的水流作用等效为相应的均匀流作用,从而使问题大大简化.无论是二维顺、逆流问题还是三维波一流斜交折射问题,非均匀流都可以基于本文方法和理论予以近似处理,以采用等效均匀流概念计算的小尺度垂直桩桩的波一流联合作用力计算为例,对该理论和方法的应用作了初步的探讨和验证.     

堤前远破波运动与冲淤形态

利用数值波浪水槽,对远破波作用下堤前波浪运动进行了数值模拟。分析了堤前速度场的变化,指出堤前波浪运动在一个波周期内可分为向堤波和离堤波。波浪在距堤约L/2处破碎后向堤冲击并沿堤面爬升,称为向堤波;波浪从堤面最高处回落与向堤波相遇并破碎,称为离堤波。堤前远破波的前半个周期的向堤波速度场大于后半个周期的离堤波速度场,且堤前波浪运动在一个波周期内的前半个周期和后半个周期完全不同。床面某点(L/4,3L/4)的速度在一个波浪周期内随时间呈向堤和离堤变化,向堤速度最大值大于离堤速度的最大值。利用堤前速度场的研究成果,进一步分析了远破波作用下堤前海床冲淤形成过程,完善了冲淤机理。