马蹄波波形特征和对圆柱作用实验研究

为了研究真实海洋表面马蹄波特性以及对建筑物的作用,通过物理模型实验研究了马蹄波的波形特征参数以及马蹄波对圆柱体的作用。实验中通过对浪高仪采集的波面升高时间历程曲线进行分析得出了不同水深情况下马蹄波的垂向几何特征,并通过快速傅里叶变换得出了马蹄波波幅谱的特征,研究了马蹄波各组成波波幅沿空间的变化从而得出了圆柱存在对马蹄波演化的影响,同时给出马蹄波绕射形成的波面分布和不同频率谐波在圆柱周围的分布,讨论了马蹄波不同于Stokes波对圆柱作用的特征。结果表明,马蹄波波形受水深影响较大,水深越浅,马蹄波的波面形状越接近椭圆余弦波。圆柱体的存在干扰了马蹄波不稳定的增长,使其在接近圆柱时呈下降趋势,导致不稳定幅值最大值的位置提前并且出现在偏离圆柱迎浪点的侧表面,从而使圆柱受到侧向力的作用。     

浅水极限波浪几何特征的实验研究

该文通过物理模型实验,对浅水区域内的波浪在破碎前极限状态下的几何特征进行了研究。实验基于JONSWAP谱对不规则波浪进行模拟,通过对波群中出现的单体极限波浪进行捕捉并对波形进行测量而得到研究样本。为了考察底坡因素对极限波浪几何特征的影响,实验共考虑了3组大小分别为β=1/15、1/30以及1/45的地形坡度。统计结果表明,在实验所采用的坡度范围内,当地波高与水深对近岸极限波浪的影响最为显著,随着水深与波高因素变化,极限波浪的几何特征也出现明显的改变。坡度因素对极限波陡和偏度的影响很小,可以被忽略,但是对不对称度参数的影响相对比较明显,坡度越陡,不对称程度越剧烈。最后,通过参数化,本文给出了极限波浪几何特征变化的经验公式。     

基于波形不对称性的波浪破碎指标

为了探寻波浪破碎与波形不对称性的关系,通过对1/200缓坡上波浪破碎实验研究结果的进一步分析,运用最小二乘法,拟合了波形不对称性参数与相对水深的关系,以及用波形不对称性参数表示的波浪破碎指标表达式。所得规则波的结果与Kjeldsen的深水波结果相同,而不规则波的结果比规则波的小。研究还表明,这一破碎指标与相对水深有关系,随着水深变浅,指标值增大。     

挪威海畸形波波形特征研究

畸形波波形与其所处海况特征密切相关。在线性、窄谱假定下,最可能出现的畸形波波形服从“新波”理论,即最大波位于波群中间且其前后相邻波浪对称。然而,实际海浪谱通常是包含多种频率成分的宽谱。目前对实测畸形波及其附近波面形态特征仍缺乏系统认知,对其影响因素尚不明确。本文基于挪威海气象观测站共112个畸形波序列,分析实测畸形波波形及影响因素。研究表明,只有52%的畸形波在波群中间,其余畸形波在波群前侧的概率更高。此外,畸形波前后相邻波浪并不完全对称,其中位于后侧的波幅普遍更大。通过定量分析实测畸形波的平均波形与“新波”理论结果,发现谱宽是影响畸形波波形的关键参数。随谱宽增加,畸形波的平均波形与“新波”理论得到的波面序列误差呈指数增加。     

波面位移非线性特征数值研究

基于Longuest-Higgins(1963)非线性海浪模型,在有限水深且存在均匀背景流的条件下,根据Song(2006)给出的波面位移二阶表达式,采用Combi海浪频谱计算了海表面定点波面位移时间序列和波面位移概率统计分布。分析了波面位移统计分布随风速、水深、反波龄和均匀背景流的变化特征和规律以及不同海况条件下二阶非线性项对波面位移统计分布的影响。结果表明:二阶非线性项使波面位移分布偏离正态分布,二阶非线性作用受风速、水深、反波龄和均匀背景流的影响。风速增大、水深降低、反波龄减小或者均匀背景流和风速传播方向相反均使波面位移二阶非线性项的作用加强,无因次波面位移概率密度分布的偏度和峰度随之增大,反之则二阶非线性项作用减弱。当均匀背景流和风速相同时,虽然使非线性项的作用减弱,但平均波面位移反而比静止水平面降低。当均匀背景流和风速相反时,虽然使非线性作用增强,但平均波面位移反而趋于静止水平面。得到如下结论:二阶非线性项对于波面位移有显著影响,数值模拟波面位移需要增加二阶非线性项。通过以上研究,提高了数值模拟波面位移的准确性,而波面位移是海浪最基本的特征量,从而增强了海浪模拟和预报的准确性,对海洋工程、海–气相互作用、上层海洋动力学等具有重要意义。     

方向分布对三维聚焦波浪波面特性影响研究

波浪聚焦被认为是产生极限波浪的重要机理之一,近年来受到普遍重视。通过高阶谱方法,引入造波边界建立数值计算模型,模拟聚焦波浪在不同方向分布时的产生和聚焦过程,研究波浪的方向分布对聚焦波浪的波面、波峰最大值、聚焦点的偏移、波面参数及频谱的影响。研究结果表明波浪方向分布越窄,波浪的非线性影响越强、波面越陡,波峰值、聚焦点的偏移和波面特征参数都越大;同时方向分布对波浪聚焦前后的能量具有很大的影响。     

基于双层Boussinesq方程的三维波浪数值模型及其验证

Liu等给出的最高导数为2的双层Boussinesq水波方程具有较好的色散性和非线性,基于该方程建立了有限差分法的三维波浪数值模型。在矩形网格上对方程进行了空间离散,采用高阶导数近似方程中的时、空项,时间积分采用混合4阶Adams-Bashforth-Moulton的预报—校正格式。模拟了深水条件下的规则波传播过程,计算波面与解析结果吻合较好,反映出数值模型能很好地刻画波面过程及波面处的速度变化;在kh=2π条件下可较为准确获得沿水深分布的水平和垂向速度,这与理论分析结果一致。最后,利用数值模型计算了规则波在三维特征地形上的传播变形,数值结果和试验数据吻合较好;高阶非线性项会对波浪数值结果产生一定的影响,当波浪非线性增强,水深减少将产生更多的高次谐波。建立的双层Boussinesq模型对强非线性波浪的演化具有较好的模拟精度。     

沿岸流中混合系数的实验研究

进行了在规则波作用下破波带内水平混合系数测量的物理模型实验。通过在沿岸流流场中投放墨水点源和采用CCD摄像机摄像,测量了点源扩散过程。利用水深平均二维扩散方程近似解析解得到了由实验结果计算混合系数的方法。实验结果表明:扩散系数仅依赖于当地水深,与波浪参数(周期和波高)无关。沿岸流沿水深变化产生的离散作用导致顺流方向(纵向)混合系数远大于横流方向(横向)混合系数。横流方向混合系数中由波浪产生的扩散系数占总扩散系数约40%,其余为波浪破碎引起的湍流产生的扩散系数。     

实验室中椭圆余弦波的产生

波浪从深水传入浅水后,波面形状发生了变化,波峰变陡,波谷变平,呈现出非线性波的特征,当波长与水深之比大于8时,这种波形用椭圆余弦波来描述是比较合适的.目前,非线性浅水波对近岸建筑物的作用已引起许多学者的兴趣,开展了这方面的研究,如椭圆余弦波对墩柱的作用力.因此,实验研究浅水波对建筑物的作用是必不可少的手段之一,这就提出了如何在实验室中产生波高较大、非线性较强的波浪.人们在实验中早就发现,在波浪槽中产生浅水非线性波是十分困难的.按正弦曲线运动的推板产生的波面有明显的次峰,而且作者还注意到,若波高大于0.45倍水深,产生的波浪不稳定或破碎.造成这些问题的原因之一是推板运动速度与水质点运动速度不一致.     

弧形防波堤波浪力试验研究

在圆筒形防波堤和V形防波堤的基础上,结合离岸堤后形成V形和半圆形连续出现的韵律海岸的地貌平面形态特点,提出一种前墙为连续的半圆筒形防波堤形式。通过在波浪水槽内进行规则波物理模型试验,探究这一新型防波堤的波压力分布规律及波高、周期、水深等因素对波压力的影响。将试验结果与海港水文公式和合田良实公式计算的理论值对比分析,给出了以合田良实公式的折减系数来拟合新型弧形防波堤波浪总水平力的计算公式。结果表明:新型弧形防波堤上的波压力随波高、周期的增大而增大,其水平波浪总力比同等尺度直墙少10%左右。     

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。     

基于OpenFOAM的潜堤—双弧板组合结构水动力特性数值研究

鉴于双弧板式透空堤的消浪性能仍不理想,提出了一种潜堤—双弧板组合结构,并基于OpenFOAM软件建立了波浪与该结构相互作用的数值模型,采用试验结果对所建数值模型进行验证。在此基础上,讨论了该新型结构的消浪特性、波压力分布特征以及所受波浪力的影响因素。结果表明,透射系数随相对板宽的增大而减小,反射系数则相反。透射与反射系数随相对潜深的变化较为显著。当结构位于静水位上方（即相对潜深为-0.05）时,透射系数最小而反射系数最大;当结构位于静水位下方（即相对潜深为0.05）时,透射系数最大而反射系数最小。该组合结构两块弧板上下表面的正负压力变化关于横轴近似对称,不同测点处的压力值差异显著。水平波浪力与垂直波浪力的变化趋势大致相似,但垂直波浪力远大于水平波浪力。研究结果可为其工程应用提供理论指导与技术支撑。     

Sediment grains moved by passing tsunami waves: Tsunami deposits in deep water

Tsunamis propagating in the open ocean have associated horizontal particle velocities that do not change with depth — yet the limiting water depth where a tsunami of given characteristics will initiate sediment motion remains unknown. Based upon linear wave theory and a parametrization of the Shields curve, equations are derived and solved, using an iterative scheme, to address the topic of grain movement by tsunami waves as a function of water depth and wave amplitude. The focus is on waves in deep water where tsunami waves behave linearly and on non-cohesive sediment grains. Furthermore, the question is addressed of which grain sizes are picked up on a sloping beach as the wave shoals. According to the results, even the Boxing Day tsunami in 2004 was incapable of moving fine sand in water deeper than 985 m in the Bay of Bengal and 335 m in the Indian and Pacific oceans. The results suggest that tectonic tsunamis of size equal to or smaller than the Boxing Day tsunami cannot initiate motion of deep-water cohesionless sediments that can be correlated on an oceanic basin-wide scale.     

Wave Run-up on A Vertical Seawall Protected by An Offshore Submerged Barrier

Submerged barriers are constructed in coastal zones for shoreline or harbor protection or to prevent the beach erosion. In the present study, the wave run-up on a vertical seawall protected by a submerged barrier is analyzed. The physical configurations include a rigid barrier and a long channel of finite depth. For linear water waves, by matching the velocity along the barrier and along the gap, the systems of linear equations about the velocity potentials are obtained. The wave run-up is further analyzed for various settings of barrier height and distance between the barrier and the wall, i.e. the chamber length. For nonlinear waves and random sea waves, a numerical model is extended to investigate the effect parameters of the barrier on the wave run-up against the seawall. Not only the numerical simulations, but also the analytical results illustrate that the wave run-up on the seawall depends very much on the distance between the barrier and the vertical seawall.     

Characteristics of Parameters for Local Scour Depth around Submarine Pipelines in Waves

The purpose of this study is to investigate the characteristics of parameters for local scour depth around submarine pipes due to waves. Because it is impossible to consider all the factors that influence the scour, it is reasonable to investigate the correlations between parameters and scour. The experimental works about scour were performed for the conditions of 40, 60, 90 m pipe diameter, various wave periods, and wave height in the case of horizontal bed and 1/10 slope bed, respectively. Analyzing the results of experiments, the Reynolds number, Shields parameter, Keulegan-Carpenter number, Ursell number, and Modified Ursell number were estimated. The correlations between the relative scour depth, which is the maximum equilibrium local scour depth divided by the pipe diameter, and 5 parameters were analyzed. It was shown that there was hardly any correlation with the Reynolds number. In the case of a horizontal bed, the Keulegan-Carpent number had the highest correlation, but in the case of the slope bed the correlation was greatly reduced. The modified Ursell number showed a high correlation regardless of the type of bed.     

Experimental Study on Ocean Internal Wave Force on Vertical Cylinders in Different Depths

A series of experimental studies about the force of internal solitary wave and internal periodic wave on vertical cylinders have been carried out in a two-dimensional layered internal wave flume. The internal solitary waves are produced by means of gravitational collapse at the layer thickness ratio of 0.2, and the internal periodic waves are produced with rocker-flap wave maker at the layer thickness ratio of 0.93. The wave parameters are obtained through dyeing photography. The vertical cylinders of the same size are arranged in different depths. The horizontal force on each cylinder is measured and the vertical distribution rules are researched. The internal wave heights are changed to study the impact of wave heights on the force. The results show that the horizontal force of concave type internal solitary wave on vertical cylinder in the upper-layer fluid has the same direction as the wave propagating, while it has an opposite direction in the lower-layer. The horizontal force is not evenly distributed in the lower fluid. And the force at different depths increases along with wave height. Internal solitary wave can produce an impact load on the entire pile. The horizontal force of internal periodic waves on the vertical cylinders is periodically changed at the frequency of waves. The direction of the force is opposite in the upper and lower layers, and the value is close. In the upper layer except the depth close to the interface, the force is evenly distributed; but it tends to decrease with the deeper depth in the lower layer. A periodic shear load can be produced on the entire pile by internal periodic waves, and it may cause fatigue damage to structures.     

海南东方岸外海底沙波活动性研究

对海南东方岸外 2 0～ 50 m水深海底沙波形成的动力环境、形态特征、剖面结构及其分布特征进行了描述和分析。根据环境参数 ,对其活动性进行了计算 ,并将计算结果与发育环境相类似的 Surtainville沙波进行了类比。认为研究区沙波主要系在潮流作用下形成。研究区沙波迁移速率为每年数米。东区 (水深 2 0～ 40 m)是沙波发育的主体 ,受落潮流作用 ,沙波自北向南迁移 ;西区 (水深 36～ 52 m)沙波受涨潮流控制自南向北迁移 ;中区为过渡区 ,沙波相对稳定