波浪冲击过程流场变化特性试验研究

利用瞬态全场测量技术———粒子图像测速(PIV)技术,研究了波浪对透空式建筑物上部结构冲击过程的流场变化特性。通过对采集到的CCD图像互相关分析,直观地显示了波浪冲击作用发生时结构物底面的流场状态,得到瞬间全场流体水质点速度矢量,并且应用概率分析法研究了冲击压力峰值与波浪水质点运动速度之间的关系。     

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。     

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.     

基于水槽实验的近岸波浪破碎计算研究

将前人波浪破碎计算及判定公式进行汇总、整理并分成3类;同时,为了对选取公式进行比较,文还将上述公式分为两类破碎波高计算模型,一类是直接计算模型;另一类是联立拍岸浪波高计算模型与破碎判据,建立的间接计算模型。在此基础上,结合实验数据,对破碎波高和破碎指标进行误差分析得出,间接计算模型中,Goda提出的破碎判据效果最好,为下一步拍岸浪精细化预报以及其区域计算模型的建立提供参考。     

关于波浪破碎特性的研究

有关波浪破碎问题的研究是海岸工程界十分关注的课题。本文列举了前人有关波浪破碎特性方面的研究成果；分析了波浪破碎前后波高的变化规律，作出了适当的假定；并考虑了动床海滩坡度、底摩擦以及紊动对波浪破碎特性的影响。应用波动能量耗散率理论，并结合孤立波理论的有关公式，作者推导了计算动床海滩上破碎指标ｒ_ｂ的公式，并进而给出破碎水深ｈ_ｂ与破碎波高Ｈ_ｂ的计算公式。通过不同规模实验水槽的资料验证表明，这组计算式具有广泛的实用性。     

波浪破碎诱导的海-气无机盐通量的参数化

波浪破碎诱导生成的海盐粒子是海洋向大气输运无机盐的主要机制,海气界面的无机盐通量对于全球气候变化有重要影响。本文开展了实验室实验模拟海盐粒子生成实验,定量考察了温度和盐度对海盐粒子中离子质量分布的影响,揭示了初生海盐粒子中各离子的富集和亏损现象与温度和盐度的关系。基于实验室观测分析结果和推测假定,提出了1个既包含海面风速、又反映海表温度和海表盐度影响的海-气无机盐通量参数化方案。将此参数化方案应用于估计海盐粒子向大气输运的各种无机盐离子质量通量,并与传统方法估算结果进行了比对分析。     

缓坡上波浪谱的变形及破碎

在文献[1]中,通过实验分析和理论计算,笔者提出不规则波浪的破碎指标仍可采用合田^[2]的相对波高极值(H/d)_b与Michell^[3]和Miche^[4]的极限波陡指标(H/L)_b.本文利用该破碎指标,分析计算了缓坡上不规则波在水流作用下的谱变形、波高的统计分布以及波浪破碎的概率等,其结果与作者的实验结果符合良好。     

一个波浪破碎散射模型的改进

为了得到与实测数据更为一致的散射模型,对KHCC03散射模型进行了改进.研究了考虑波浪破碎影响的KHCC03散射模型的适用范围.研究结果表明,KHCC03散射模型在入射角为25°～40°范围内,模型结果与实测数据吻合较好,在入射角小于25°和入射角大于40°的情况下,模型结果与实测数据差异较大.针对这一问题,对KHCC03模型进行了改进,结果表明:与原KHCC03模型相比,改进后的模型结果与实测数据吻合程度明显提高.     

基于高阶边界元的三维数值波浪港池--波浪破碎的模拟

在势流理论的框架内,采用高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日法,实现了对三维波浪破碎过程的数值模拟.数值模型使用可调节时间步长的基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格郎日时间步进来求解自由表面的演化过程.在所使用的边界元方法中,采用16节点三次滑移四边形单元来表示,这种单元在单元内具有高阶的精度同时在单元之间具有良好的连续性.给出了孤立波的传播和周期性非线性波浪沿缓坡传播的计算结果,表明数值模型具有良好的稳定性.     

近岸波浪破碎区不规则波浪的数值模拟

基于近岸不规则波浪传播的抛物型缓坡方程和两类波浪破碎能量损耗因子,对近岸波浪破碎区不规则波浪的波高分布进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了验证分析,结果表明采用两类波浪破碎能量损耗因子所模拟的破碎区波高与实测值均吻合良好,波浪破碎能量损耗因子及波浪破碎指标对破碎区波浪波高分布影响较明显。     

基于SAR图像速度聚束调制的海浪反演研究

本文首先对合成孔径雷达（SAR）海浪成像中的3种调制（倾斜调制、流体力学调制与速度聚束调制）的影响进行了对比分析,结果显示：速度聚束调制对SAR图像的影响最为显著。另外,由于SAR图像中固有相干斑噪声的存在,较低波数范围的噪声难以滤除或抑制,利用经典MPI方法反演海浪谱会造成低波数范围谱值偏大。基于此,本文借鉴经典MPI海浪谱反演算法,建立了基于速度聚束调制的海浪方位向斜率谱和有效波高的反演算法。通过将经典MPI方法、同极化调制法及本文算法等3种海浪反演方法所得有效波高与浮标数据进行比较,结果显示：本文方法反演得到的海浪有效波高与浮标数据获得的有效波高之间的均方误差为0.79 m,为3种方法中最小。     

不同破碎波气液混合区发展特征及其运动特性研究

了解波浪破碎速度场的分布特性对于波浪破碎物理机制的研究极为重要,同时,对比研究不同类型破碎产生的气液混合区的演化特征有利于波浪白冠覆盖率模型的完善。在实验室水槽,生成了深水临界波、单次崩破波和单次卷破波,采用图像测速技术获取了波浪破碎图像、波面下水体和气液混合区速度场。结果表明,崩破波的水平向速度u和垂直向速度v在波峰前和波峰后的分布极为不对称,其水平向最大速度umax并不位于峰顶,而是在主导波峰前0.7$\eta_{\max} $处;卷破波的umax出现在波峰峰顶前端极小的区域内,且该区域与周围区域的速度梯度极大。崩破波和卷破波生成的气液混合区发展特征也存在差异：崩破波的umax值大、影响区域长、混合区厚度较小、各区域影响时间短;而卷破波的各项特征参数与崩破波形成对比。     

一种基本Boussinesq方程的近岸区破碎波模型

基于文献「１」Ｂｏｓｓｉｎｅｓｑ方程的近岸区破碎波模型基础,将数值模型中的波高衰减规律由假设改进为Ｄａｌｌｙ的解析公式,使近岸区破碎波模型的应用性更强。并将数值模型计算结果与现场实验资料进行对比,取得了满意的结果。     

近惯性内波破碎混合方案对MOM4模式的影响

风生近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合在海洋内部混合中起重要作用。然而其参数化对海洋模式的模拟影响仍有待进一步认识。本文给出的是在模块化海洋模式（MOM）中海洋表面边界层以下引入一个考虑风驱动近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合参数化方案的研究工作。模拟结果显示,该方案有效改善MOM4模拟的上层1 000 m以上的温盐偏差,特别是在北太平洋和北大西洋的通风地区。数值试验表明,风生近惯性内波破碎有可能是维持海洋通风过程的重要机制之一,它使得海洋通风区的位温变冷,盐度变淡,整层等位密面加深。维持的通风过程使得北太平洋副极地大涡的影响延伸到副热带大涡。从而模拟的北太平洋中层水源头及其副热带大涡东侧的温盐更接近观测实际。同时,模拟的北大西洋经圈翻转环流强度也更为合理。     

Determining the onset and strength of unforced wave breaking in a numerical wave tank

A numerical wave tank is used to investigate the onset and strength of unforced wave breaking, and the waves have three types of initial spectra： constant amplitude spectrum, constant steepness spectrum and Pierson-Moscowitz spectrum. Numerical tests are performed to validate the model results. Then, the onset of wave breaking is discussed with geometric, kinematic, and dynamic breaking criteria. The strength of wave breaking, which is always characterized by the fractional energy loss and breaking strength coefficient, is studied for different spectra. The results show how the energy growth rate is better than the initial wave steepness on estimating the fractional energy losses as well as breaking strength coefficient.     

Effects of wave breaking on wave statistics for deep-water random wave train

The experimental studies of the breaking effects on wave statistics for deep-water random waves are presented. It is especially focused on the behavior of kurtosis of surface elevations due to wave breaking. Wave breaking suppresses the maximum limit of kurtosis of the surface elevation, although skewness depends on characteristic wave steepness. The mean instantaneous wave steepness of breaking waves defined using the zero-down-crossing method was much lower than expected from the Stokes waves.     

基于破碎临界区的新型拍岸浪统计计算模型研究

When waves propagate from deep water to shallow water, wave heights and steepness increase and then waves roll back and break. This phenomenon is called surf. Currently, the present statistical calcula...