海岸沙坝剖面和滩肩剖面特征研究

通过物理模型实验研究了海岸沙坝剖面和滩肩剖面的形成和演化过程,给出了稳定的沙坝剖面和滩肩剖面的几何特征。实验中考虑了两种初始坡度(1∶20和1∶10)和不同波高的规则波和不规则波,讨论了不同初始坡度海岸上破碎波空间分布特征。结果表明,沙坝产生后存在向岸和离岸两种运动形态,但最终将停留在稳定位置。稳定的沙坝剖面对应不同初始坡度和波浪存在不同的大沙坝和小沙坝分布。沙坝剖面由长时间小波高波浪序列作用后可转化为稳定滩肩剖面,该剖面不依赖于波浪和初始坡度。实验也给出了平衡剖面与理论曲线的对比以及剖面上泥沙粒径的分布。     

海岸沙坝近底悬移质通量实验研究

为了研究海岸沙坝的产生和演化机理,对不规则波和波群作用下沙坝上方的近底悬移质通量进行了实验研究。分析了短波、长波和平均水流对悬移质通量的影响。结果表明:各种波况下平均水流和长波的作用始终使泥沙向离岸方向输移,而短波的作用使泥沙向岸方向运动;平均水流引起的泥沙输移始终占主要成分,长波的次之。不规则波情况下平均水流的影响较规则波的情况相对较弱,三种成分对泥沙输运的贡献属于同一量级。波群情况下长波的影响随着波浪群性的增强而加大,短波的不明显,而平均水流的影响则随着波浪群性的增强而减弱。     

侵蚀浪条件下沉水植被对沙坝-潟湖海岸的冲淤影响研究

全球海岸生态系统正遭受气候变化及人类活动带来的威胁, 本文基于沙坝-潟湖系统海岸典型剖面形态, 通过设计实施动床波浪水槽试验, 定量研究了侵蚀浪条件下沉水植被对该系统海岸冲淤的影响。结果表明: 沉水植被明显削弱了沙坝前坡波浪破碎区前缘的波高增大幅度, 并使坝后波高衰减; 植被作用使波浪反射和透射系数减小、耗散系数增大; 侵蚀浪作用下, 沙坝坝顶冲刷较明显, 潟湖内呈淤积趋势, 海岸前丘受波浪冲刷呈陡坎形态。植被影响下沙坝和前丘区域最大侵蚀厚度均减小; 植被可减少沙坝净侵蚀量、潟湖内淤积量及离岸输沙量, 对海岸前丘有较好的保护作用。     

波浪动力因素变化对沙质岸滩演变的影响

通过波浪水槽实验,对海平面变化造成的波浪动力因素改变引起的沙质岸滩形态响应开展机理性研究。实验采用1∶10单一沙质斜坡概化岸滩,利用3种不同实验水深模拟海平面变化,考虑椭圆余弦波、非规则波、规则波和孤立波4种类型波浪作用。实验对波浪在斜坡上的传播变形、破碎、上爬和回落过程的波高及波浪作用后的岸滩地形进行了测量。实验结果表明,椭圆余弦波、规则波和非规则波作用下,平衡岸滩呈现出滩肩形态,孤立波作用下则呈沙坝形态。海平面上升造成波浪动力增强,沙质岸滩平衡剖面形状基本保持不变向岸平移,槽谷、滩肩、沙坝位置以及岸线蚀退距离,均呈现出良好规律性。     

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。     

卷破波作用下沙质岸滩剖面形态判别式初探

通过波浪水槽实验,开展不同类型波浪作用下的沙质岸滩演化规律研究工作。本次实验研究不考虑比尺,采用1:10与1:20组成的复合沙质斜坡对岸滩进行概化,选取规则波和椭圆余弦波两种典型波浪作用,对波浪的传播、变形和破碎、上爬、回落过程以及波浪作用前后沙质岸滩床面地形进行了观测,探讨波浪作用下沙质岸滩剖面演化规律。本文实验工况中,规则波作用下,岸滩剖面呈现出沙坝剖面和滩肩剖面,椭圆余弦波作用下的岸滩剖面均呈滩肩形态,发现岸滩剖面形态不仅与波浪作用类型、强度、周期等因素相关,还与波浪破碎的强度等因素有关。通过对实验过程中现象的进行观察和分析,引入了卷破波水舌冲击角的概念。对波浪卷破破碎后形成的水流挟沙运动与岸滩剖面形态的关系进行定性分析,对水舌冲击角与Irribarren参数之间的关系进行定量分析,基于Irribarren参数与岸滩剖面形态的关系初步建立了波浪作用下沙质岸滩剖面形态判别关系式。通过本文实验结果和前人实验结果对趋势线进行拟合,求得其判别系数,判别式能够较好地划分淤积型岸滩、侵蚀型岸滩及过渡型岸滩三种岸滩形态。     

红树林对规则波作用下岸滩剖面变化影响实验研究

红树林广泛分布于我国南方沿海地区,可有效减小波浪对岸滩的破坏,研究其在规则波作用下对岸滩变化的影响具有重要意义。基于波浪水槽实验,采用PVC圆管模拟红树林,选取无黏性沙堆砌而成的1/10~1/20组合坡概化岸滩。实验结果表明,在规则波作用下,红树林的存在对岸滩剖面变化产生了较大影响;并分析了规则波波陡、植物分布密度和排列方式对岸滩剖面变化的影响。基于实验数据,建立了在实验条件下的岸滩冲刷坑尺度、淤积沙坝尺度、最大冲刷深度、最大淤积高度与规则波波陡、红树林的分布密度和排列方式之间的关系式,结果呈幂指数函数关系。揭示了岸滩剖面变化与规则波水动力特性、红树林、泥沙颗粒和岸滩坡度之间的联系。引入植物综合系数,预测给定规则波波陡和波长情况下的岸滩冲淤演变特征值,为海岸生物防护工程的建设提供科学依据。     

波浪对级配砂海滩滩形塑造的试验研究

砂质海滩剖面形态受到泥沙粒径、海洋动力的影响。自然或人工海滩一般由粒径不同的级配泥沙组成,其海滩剖面形态应与海滩砂的级配有关。本文用不同粒径和级配的砂铺设海滩,进行了不同波浪动力作用下滩形形成的水槽试验,探究海滩剖面与波浪动力、泥沙粒径以及级配之间的关系。结果表明:波高越大越容易形成沙坝型剖面,波高越小越容易形成滩肩型剖面,沙床粒径越细,泥沙横向输移量越大,沙坝宽度越大,沙坝位置更为向海,滩肩更为向岸;波周期越大,滩肩位置越容易淤积;级配沙床中,对沙坝形态起主要影响作用的为粗颗粒泥沙。试验得到的水下沙坝形态参数奎利根比并非已有研究给出的定值,与泥沙组成和波参数有关。     

海岸破波带内水底悬沙浓度形成机理实验研究

通过大尺度水槽波浪引起泥沙悬移的动床模型实验,研究了沙坝海岸破波带内水底悬沙浓度形成机理,通过比较时间平均水底悬沙浓度与时间平均水底波浪水质点动能或时间平均水底湍动能之间的相关性,论证了利用时间平均湍动能比利用时间平均波浪水质点动能计算时间平均水底悬沙浓度更为适用,并提出了以上时间平均水底悬沙浓度与水底湍动能之间的关系也可以用来近似表达时间变化的水底悬沙浓度与时间变化的水底湍动能之间的关系。研究针对规则波、波群和不规则波3种波浪形态进行,并分别对破波带内的爬坡区、内破波区和沙坝区3个区域实验结果进行讨论。     

楮岛沙滩不同时间尺度变化特征与波能流密度相关性探讨

在波浪和水流的作用下,泥沙在不同时间尺度下的运动会引起沙滩的冲淤演变,对海岸资源有重要的影响。因此,了解沙滩季节性演变规律,并采取针对性的防护措施,是近岸沙滩亟须解决的问题。目前,现场观测是研究沙滩剖面冲淤演变的重要方法,通过沉积物组成、岸滩坡度及波浪动力的时空变化,了解沙滩剖面的变化特性,对于沙滩管理和海岸保护具有十分重要的意义。基于2017年9月—2019年11月在荣成楮岛南岸沙滩每个月采集一次的剖面数据,以及波浪动力数据,分别探究了沙滩在不同时间尺度下的变化特征,并对沙滩变化特征与波浪动力因素的相关性进行了探讨。研究发现：楮岛南岸沙滩形态变化具有较强的季节性特征,春季沙滩比较稳定;夏季沙滩受台风影响侵蚀严重,但在风暴过后的短时间内,沙滩泥沙恢复较快;冬季沙滩恢复速度逐渐减缓并趋于稳定。在夏季和冬季期间,波能流密度的向岸分量对楮岛南沙滩的演变产生重要作用,而且波能流密度向岸分量的均值（选取数据采集前15 d的波浪条件参与计算）与沙滩体积的相关性最好,并给出了两者的线性拟合公式。     

Spar平台垂荡-纵摇耦合运动失稳机理

研究参数激励和强迫激励共同作用下Spar平台垂荡-纵摇耦合运动的失稳机理.考虑静稳性和排水体积的变化,推导平台的垂荡回复力和纵摇回复力矩表达式,建立规则波浪中平台垂荡-纵摇耦合的运动方程.以经典Spar平台为例,分析平台垂荡-纵摇耦合运动发生马休类型不稳定运动的条件以及平台运动失稳的形式,给出波高和波浪周期平面上平台因大幅运动失稳的参数域.结果表明,当波高相对较小时,波浪的临界周期接近于垂荡固有周期,平台失稳的形式为马休失稳;当波高相对较大时,波浪的临界周期远离垂荡固有周期,平台由于大幅摇摆运动而失稳.     

Numerical Modeling of the Undertow Structure and Sandbar Migration in the Surfzone

A process-based 3D numerical model for surfzone hydrodynamics and beach evolution was established. Comparisons between the experimental data and model results proved that the model could effectively describe the hydrodynamics, sediment transport feature and sandbar migration process in the surfzone with satisfactory precision. A series of numerical simulations on the wave breaking and shoaling up to a barred beach were carried out based on the model system. Analyzed from the model results, the wave-induced current system in the surfzone consists of two major processes, which are the phase-averaged undertow caused by wave breaking and the net drift caused by both of the nonlinear wave motion and surface roller effect. When storm waves come to the barred beach, the strong offshore undertow along the beach suppresses the onshore net drift, making the initial sandbar migrate to the seaside. Under the condition of calm wave environment, both the undertow and net drift flow to the shoreline at the offshore side of the sandbar, and then push the initial sandbar to the shoreline. The consideration of surface roller has significant impact on the modeling results of the sandbar migration. As the roller transfer rate increases, the sandbar moves onshore especially under the storm wave condition.     

Theoretical and experimental analysis of tethered buoy instability in gravity waves

The motion of a tethered spherical buoy subjected to incident regular waves was measured in a wave tank. Transverse instability was observed when the period of the wave generated was close to one-half of the natural period of the buoy. The transverse instability confirmed as Mathieu type was predominant at the surface but diminished with increase in the depth of submergence. The stable and unstable zones were determined on the Mathieu's instability diagram. Experimental results were in agreement with the predicted zone of instability for a two degree of freedom oscillation problem of Mathieu type which has a periodically varying spring constant.     

Experiment Study of Dynamics Response for Wind Turbine System of Floating Foundation

The floating foundation is designed to support a 1.5 MW wind turbine in 30 m water depth. With consideration of the viscous damping of foundation and heave plates, the amplitude-frequency response characteristics of the foundation are studied. By taking into account the elastic effect of blades and tower, the classic quasi-steady blade-element/momentum (BEM) theory is used to calculate the aerodynamic elastic loads. A coupled dynamic model of the turbine-foundation- mooring lines is established to calculate the motion response of floating foundation under Kaimal wind spectrum and regular wave by using the FAST codes. The model experiment is carried out to test damping characteristics and natural motion behaviors of the wind turbine system. The dynamics response is tested by considering only waves and the joint action of wind and waves. It is shown that the wind turbine system can avoid resonances under the action of wind and waves. In addition, the heave motion of the floating foundation is induced by waves and the surge motion is induced by wind. The action of wind and waves is of significance for pitch.     

涌浪作用下港内大型集装箱船运动特性数值研究

随着船舶大型化和港口建设深水化发展,外海不同周期波浪作用下大型系泊船泊稳问题与小型系泊船相比出现了新的特点。为此,利用数值模型方法研究了在不同入射角度和周期的涌浪作用下港内大型系泊船的水动力响应,针对系泊船的泊稳情况探讨了船舶的运动规律和运动特性。研究发现,在涌浪周期较大的情况下,限定波高的泊稳标准不足以用来确定系泊船的正常作业条件,港内泊船的水平运动（纵荡、横荡和艏摇）极易超出运动标准值并影响装卸作业效率,并且船舶的水平运动表现出主要由次重力波主导的低频运动特性,而垂直运动（垂荡、横摇和纵摇）表现出主要由短波主导的波频运动特性。     

The initialization of nonlinear water waves in a numerical wave flume

This study investigates the initialization of nonlinear free-surface simulations in a numerical wave flume.Due to the mismatch between the linear input wavemaker motion and the kinematics of fully nonlinear waves,direct numerical simulations of progressive waves,generated by a sinusoidally moving wavemaker,are prone to suffering from high-frequency wave instability unless the flow is given sufficient time to adjust.A time ramp is superimposed on the wavemaker motion at the start that allows nonlinear free-surface simulations to be initialized with linear input.The duration of the ramp is adjusted to test its efficiency for short waves and long waves.Numerical results show that the time ramp scheme is effiective to stabilize the wave instability at the start of the simulation in a wave flume.