波浪在珊瑚礁及台阶式地形上的传播

波浪在水深剧变地形上传播与在缓变地形上传播相比，变形规律有很大不同。本文结合珊瑚礁地形，对波浪在台阶式水深剧变地形上的传播的研究进展了综述，指出了一些存在的问题及进一步研究的方法。     

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。     

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。     

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。     

珊瑚礁海岸波流运动特性整体物理模型实验研究

根据现场地形在港池中建立三维珊瑚礁−潟湖−裂口海岸定床整体物理模型,采用波高传感器、流速仪和表面流速测量系统分别测量了规则波作用下珊瑚礁海岸不同位置的波浪和流场特征。结果表明：礁坪上,波高在向岸方向逐渐减小,总减小幅度为86.7%,增水先增大后减小,沿礁坪下降幅度为65.9%,水流以向岸流为主,存在着先增大后减小的趋势;潟湖中,波高靠近裂口处较大,中部最大值约为两侧最小值的2.8倍,增水则靠近裂口处最小,相比两侧最大值下降了25.5%,水流主要为对称地指向裂口的沿岸流,流速从两侧到裂口先增大后减小;裂口中波高变化不大,增水在靠近潟湖处最大,为礁坪上增水的47.6%,水流主要为离岸流,流速同样是先增大后减小。量化分析了环流驱动力、辐射应力与波面压力梯度的空间变化规律,发现礁坪上向岸流变化是平均水位梯度和辐射应力相互作用的结果,在裂口中的离岸流驱动力主要为辐射应力,而潟湖中的沿岸流变化由平均水位梯度决定的。     

不完全立波的二维数值波浪水槽模拟

利用二维数值波浪水槽研究波浪在防波堤前的运动状态.模型选用Navier-Stokes方程作为基本方程,以有限元法对基本方程进行离散.以直立堤前完全立波和越浪条件的不完全立波、斜坡堤前的不完全立波等典型情况的模拟为基础,组合这些典型情况模拟削角堤前不完全立波运动,探讨其堤前波面、波节点及波腹点位置、波压力等特性变化.     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

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。     

不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波

利用MAC(marker and cell)法直接数值求解连续方程和N-S方程.为模拟不规则波长时段连续造波及消除波浪遇结构物后形成的二次反射,采用了源造波法.对开敞边界,采用了海绵阻尼消波和Sommerfeld条件相结合的处理方式.     

礁面大糙率存在下孤立波传播变形及爬高实验研究

本文采用圆柱体阵列来模拟珊瑚礁面的大糙率,通过波浪水槽实验研究礁面糙率对孤立波传播变形及岸滩爬高的影响。结果表明,粗糙礁面的存在显著削弱了礁坪上孤立波的首峰和礁后岸滩反射造成的次峰,同时降低了波浪在珊瑚礁面的传播速度;垂直于岸线方向沿礁相对波高随着入射波增大而减小,随着礁坪水深的增大而增大,粗糙礁面上波高沿礁的衰减更为显著;礁前斜坡的无量纲反射波高随无量纲入射波高的变化与礁坪水深有关,当入射波高足够大时其趋于常值,粗糙礁面略微增大了礁前斜坡的反射;无量纲透射波高和岸滩爬高随着无量纲入射波高的增大而减小,特别是礁坪水深较大时更为显著,粗糙礁面时的无量纲岸滩爬高相对于光滑礁面平均减小46%;通过回归分析得出了同时适合于光滑和粗糙礁面的预测孤立波岸滩爬高的经验关系式。     

基于光滑质点流体动力学方法数值波浪水槽研究

基于光滑质点流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法建立二维数值波浪水槽,利用推波板造波生成孤立波和不规则波,模拟结果跟实验值及解析解做了对比分析,结果令人满意.SPH数值水槽中生成的波浪具有明显的非线性,波浪能量沿程有所衰减,与物理水槽结果吻合良好.     

对称指数地形水槽内纵波和横波解析解研究

水槽实验通常用于波浪传播变形及防波堤护面块体稳定性等研究,涉及的波要素沿水槽纵向变化且在垂直于水槽的横向保持不变。然而实验中当波长与水槽宽度满足一定关系时,可能出现明显的横向波动现象。本文针对对称指数型隆起地形,基于线性长波方程分别推导了其内沿水槽方向的纵波与垂直于水槽方向的横波的解析表达。水槽内对称指数地形上的纵波可以表示为第一类和第二类一阶贝塞尔函数的形式,并结合自由水面及速度连续条件最终得到其完整解。对称指数地形上分别存在偶对称和奇对称模态的横波,可表示为第一类ν阶贝塞尔函数的形式。偶对称模态(n, m)沿水槽方向有n条波节线,在垂直于水槽方向存在2m条波节线;奇对称模态(n, m)沿水槽方向存在n条波节线而在垂直方向有2m − 1条波节线。     

Laboratory study of the nonlinear transformation of irregular waves over a mild slope

This paper considers the nonlinear transformation of irregular waves propagating over a mild slope （1：40）. Two cases of irregular waves, which are mechanically generated based on JONSWAP spectra, are used for this purpose. The results indicate that the wave heights obey the Rayleigh distribution at the offshore location; however, in the shoaling region, the heights of the largest waves are underestimated by the theoretical distributions. In the surf zone, the wave heights can be approximated by the composite Weibull distribution. In addition, the nonlinear phase coupling within the irregular waves is investigated by the wavelet-based bicoherence. The bicoherence spectra reflect that the number of frequency modes participating in the phase coupling increases with the decreasing water depth, as does the degree of phase coupling. After the incipient breaking, even though the degree of phase coupling decreases, a great number of higher harmonic wave modes are also involved in nonlinear interactions. Moreover, the summed bicoherence indicates that the frequency mode related to the strongest local nonlinear interactions shifts to higher harmonics with the decreasing water depth.     

Study of irregular wave run-up over fringing reefs based on a shock-capturing Boussinesq model

This paper presents the results of a parametric study of irregular wave run-up over fringing reefs using the shock-capturing Boussinesq wave model Funwave-TVD to better understand the role of fringing reefs in the mitigation of wave-driven flooding. Laboratory experiments were newly performed with a typical fringing reef profile and typical hydrodynamic conditions to validate the model. Experimental data shows irregular wave run-ups are dominated by the low-frequency motions and confirms the run-up resonant phenomenon over the back-reef slope, which has been revealed in previous numerical studies. It is demonstrated that irregular wave evolution and run-up over fringing reefs are reasonably reproduced by the present model with a proper grid size. However, the infragravity run-up height and highest 2% run-up height over the back-reef slope are under-predicted due to the underestimation of the infragravity wave height over the reef flat. The validated model was then utilized to model irregular wave transformations and run-ups under different conditions. Through a series of numerical experiments, the effects of key hydrodynamic and reef geometry parameters, including the reef flat width, water depth over the reef flat, fore-reef slope angle and back-reef slope angle, on the irregular wave run-up were investigated. Variations of spectral components of irregular wave run-ups were examined to better understand the physical process underlying the effect of each parameter.     

珊瑚岸礁破碎带附近波浪演化实验研究

通过波浪水槽实验对珊瑚岸礁破碎带附近波浪演变规律开展研究,实验采用了概化的岸礁模型,测试了4种礁坪水深、4种礁前斜坡坡度和一系列入射波高的组合工况。对破碎带宽度和破碎带附近波浪的入射、反射、透射以及能量耗散进行了测量分析,透射波的计算考虑了礁坪上高次谐波的影响。结果表明:礁坪水深和入射深水波高的比值(即礁坪相对水深)是影响岸礁破碎带附近波浪演化的关键参数,而礁前斜坡坡度的影响在本文测量的范围内可以忽略不计。破碎带宽度与礁坪上浅水波波长为同一数量级,并与礁坪相对水深成反比;透射系数随礁坪相对水深的增大呈线性增长,而反射系数的变化却无类似规律;岸礁能够削弱超过50%入射波能,礁坪相对水深越小,波浪破碎造成的能量耗散越大。     

Experimental study of long wave generation on sloping bottoms

Low-frequency waves generated on steep (1:10) and mild (1:40) slopes by six series of bichromatic wave groups are studied experimentally. The shorelines for both slopes are replaced by horizontal reaches of small depth. This reduces the reflection of long waves near the shoreline significantly, which for the first time makes possible the explicit observation of outgoing breakpoint forced long waves. The breakpoint and released bound long wave mechanisms on the different slopes are compared. Generally, the breakpoint forced long waves dominate the low-frequency wave field on the steep slope, while the released bound long waves are found to be more significant on the mild slope. Two parameters indexing the effectiveness of the breakpoint mechanism are compared and the normalized slope tends to give more realistic results. Shoaling of bound long waves is analyzed and the shallow-water equilibrium limit ~ h^−5/2 exhibits a good prediction of the variation of the bound long waves on both slopes.