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。     

近岸波浪浅水变形的非线性分析

本文就近岸波浪具有非线性特征提出了应用椭圆余弦波理论来研究波浪浅水变形的非线性问题。本文在椭圆余弦波数值计算的基础上，进一步分析了浅水波浪在ＨＬ~２／Ｄ~３＞２６情形下波高的变化规律，其中考虑了床面底摩擦、底坡和传质水流等因素对波高变化的影响及相应的程度分析。计算结果分析表明，浅水波浪的非线性性质和底部摩擦对波高变化的影响不能忽略，这对确定海岸工程标高有较大的实际意义和经济价值。     

浅水非线性波作用下沙质底床孔隙水压力响应数值分析

近岸水深较浅,波浪具有较强的非线性,海床破坏与波浪作用下孔隙水压力的分布有着密切的关系。波浪场控制方程采用雷诺时均方程和k-ε紊流模型,入射波采用椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面;海床域以Biot动力固结理论为基础,建立了非线性波浪与海床相互作用的弱耦合数学模型,获得椭圆余弦波作用下沙质海床中孔隙水压力响应规律。计算结果表明,与线性波浪相比,浅水非线性波作用下沙质海床中孔隙水压力幅值增大非常显著。     

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.     

海底边坡稳定性分析中波浪力的求解

针对浅水区波浪的非线性特性,提出了在海底边坡稳定性分析中应用椭圆余弦波理论来研究波浪力的问题,利用非线性弥散关系建立了新的适用于整个水深范围的椭圆余弦波的近似求解方法.结合工程实例,确立了海底边坡波浪力的计算步骤,并编制了计算程序.     

椭圆余弦波理论在击岸波研究中的应用

本文根据波浪槽试验结果并与各种理论计算(线性理论、二阶和三阶Stokes理论,Keulegan和Patterson、徐基丰、Laitone等椭圆余弦波理论)作了比较。在比较的基础上对应用椭圆余弦波理论确定击岸波波峰相对高度、波速、最大水质点水平底流速以及水底质量传输等问题进行了探讨。     

椭圆余弦波作用下海床响应特征的有限体积法数值分析

椭圆余弦波是一种常见的浅水非线性波,对近岸区海床的稳定性有重要影响。本文根据有限体积法原理,基于开源流体力学计算平台OpenFOAM,利用C++语言编制了波致无粘性土海床响应的数值计算程序,联合波浪数值模拟软件,对椭圆余弦波作用下海床的瞬态响应、累积响应及其渐进液化特征进行了分析。与线性波作用下海床响应计算结果的对比分析表明,椭圆余弦波会明显增大海床瞬态孔隙水压力和应力幅值,进而显著促进海床内孔隙水压力的累积和液化深度的发展。在近岸浅水区海床的响应分析尤其是海床累积响应的分析中,波浪的非线性效应不容忽视。     

非线性流函数波浪理论的求解

在海洋工程设计中,往往要求包括极限破碎波在内的极为非线性的波浪资料。为提供这些资料,目前已有多种非线性波浪理论可供使用,其中多数最终给出速度势函数φ(x,z,t)的表达式和波面方程,由此来研究与波浪相遇的结构物的运动性能,或者计算作用于这类结构物上的波浪力。这些理论包括用于近岸和浅水的孤立波理论和椭圆余弦波理论,主要用于深水和过渡水深的高阶斯托克斯波浪理论和流函数波浪理论,此外,还有扩展速度势理论和直接数值波浪理论等。在所有这些波浪理论中,流函数波浪理论对整个深水、过渡水深及部分浅水都提供了最好的边界条件拟合和最好的实验可靠性。就     

非线性波浪作用下埋置管道上波浪力简化计算

由于浅水区波浪的非线性影响显著,浅埋管道受非线性波浪荷载的影响大,为了保证管道长期运行的稳定性,在管道设计过程中需要充分考虑由非线性波浪引起的波浪力。考虑孔隙水和海床土的压缩性,基于Biot固结理论和一阶近似椭圆余弦波理论,利用分离变量法推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力,进而给出了埋置管道上的波浪力压力解析解,并与已有的文献结果进行比较。计算结果表明,在椭圆余弦波的作用下,海底管道周围海床内的渗流压力呈正弦分布,且管道所受的波浪力随着管径的增大而增大。     

浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力

本文基于一阶近似椭圆余弦波理论研究了浅水区非线性波浪对圆柱墩群的绕射作用,推得了计算圆柱墩群上的非线性波浪力的计算公式。为验证所得的理论成果,在大连理工大学沿岸工程国家重点实验室的波浪槽内进行了模型试验,试验的波浪范围,其特征波周期T(g/d)~(1/2)=8.08～22.86,特征波高H/d=0.1～0.45.理论计算结果与试验结果吻合良好.研究表明,浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力较之通常采用线性波理论的计算结果为大,其增大值随波浪非线性的增强而增大,可达相当大的数值。在本文计算和试验的范围内,最大可增大至4倍以上。建议当T(g/d)~(1/2)≥8时,应采用椭圆余弦波理论来计算波浪力。     

椭圆余弦内波及其对墩柱作用数值模拟

基于FLUENT软件建立数值波浪水槽,研究椭圆余弦内波及其对墩柱的作用。椭圆余弦内波的生成采用推板造波方法,自由面捕获采用VOF方法。首先,模拟了椭圆余弦内波的生成,比较了不同周期和波高下椭圆余弦内波的波浪形态。然后,在特定的周期和波高条件下模拟了三维椭圆余弦内波对单个墩柱及多个敦柱的作用;分析了各墩柱上受到的惯性力和粘性力的变化趋势,并对不同墩柱下的总波浪力进行了对比;得出了墩柱上受到的波浪力也呈现周期性变化并且在波浪前进方向上后墩柱的受力小于靠前墩柱的结论。     

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。     

波浪浅水变形的数值计算

本文给出缓慢倾斜海底上波浪浅水变形计算的数值模式。该模式取相对水深h/L_o=0.1为连结点,根据已知的初始波要素值,使用线性波理论和椭圆余弦波理论,分别计算因水深变浅引起的波高、波速和波长的变化。     

波浪浅水变形的数值计算

本文给出缓慢倾斜海底上波浪浅水变形计算的数值模式。该模式取相对水深h/L0＝0．1为连结点，根据已知的初始波要素值,使用线性波理论和椭圆余弦波理论，分别计算因水深变浅引起的波高、波速的波长的变化。     

近岸区不规则波成长模型的研究 Ⅰ.模型的建立

以不规则波在缓变地形和缓变流场水域的折射-绕射理论以及风浪的成长、衰减理论为基础,得到近岸区不规则波成长模型。结合近岸波浪特性和海洋工程应用的实际情况,建立综合考虑海岸、折射、白浪、底摩擦、流、风和非线性作用诸因素的近岸不规则波数值计算模型。该模型具有二维波谱特性及实用性。文章力图使模式更合理地反映近岸波浪的传播、成长和衰减规律,而整个计算工作量则较小,可在微型电子计算机上得以实现。     

V形防波堤与圆弧型防波堤之浅水波绕射作用的比较

应用椭圆余弦波的绕射理论,推导了V形防波堤的浅水波浪绕射解析解,从而对现有的Airy微幅波理论进行了有效拓展。据此理论对V形防波堤的浅水波绕射作用进行了解析计算,并与几何形状相近的圆弧型防波堤结果加以了对比。结果表明：椭圆余弦波理论计算的V形防波堤最大波浪力和最大绕射波面明显大于微幅波理论的对应值。本方法适用于张角180°的有限长直立薄壁防波堤的浅水波绕射作用计算,从而将无限长直立薄壁堤的反射波理论加以有效拓展。张角同为120°的V形堤与圆弧堤的堤后防浪效果相近,而180°圆弧堤的堤后防浪效果优于张角90°的V形堤。     

近岸区不规则波成工模型的研究：1.模型的建立

以不规则波在缓变地形和缓变流场水域的折射－绕射理论以及风浪的成长,衰减理论为基础,得到近岸区不规则波长成模型,结合近岸波浪特性和海洋工程应用的实际情况,建立综合考虑海岸,折射,白浪,底摩擦,流,风和非线性作用诸因素的近岸不规则波数值计算模型,该模型具有二维波谱特性及实用性,文章力图使模式更合理地反映近岸波浪的传播,成长和衰减规律而整个计算工作量则较小,可在微型电子计算机上得以实现。     

辐射应力理论在近岸区的应用及其研究进展

概述了波浪辐射应力理论,介绍了波浪辐射应力理论在海洋流体动力学尤其是近岸区的应用,重点分析了该理论在研究近岸波生流、波流相互作用等问题中的应用,总结了波浪辐射应力的研究进展,对辐射应力研究提出了建议。     

波浪漫滩边界对波生流数值计算的影响

波浪漫滩是近岸波浪的小尺度运动,在实际海域的波生流数值计算中通常被忽略。本文基于Boussinesq方程的FUNWAVE模式,分别采用波浪漫滩边界、固壁边界、海绵边界进行Haller波浪港池物理模型实验的数值模拟,比较三种边界计算结果与实验观测数据的误差,检验波浪漫滩边界对波生流数值计算的影响;然后设计了多种周期、波高的波生流数值模拟试验,分析多种波浪入射条件下波浪漫滩边界对近岸波生流数值计算的影响。结果表明,波浪漫滩对邻近区域波生流有明显影响,漫滩边界下的波生流计算结果更接近实验观测值,在近岸波生流数值模型中引入波浪漫滩边界可以提高波生流计算精度。     

基于抛物型缓坡方程模拟近岸植被区波浪传播

植被对波浪传播运动有重要影响。考虑近岸波浪在植被区传播中的折射、绕射、破碎及植被引起的波能耗损效应,基于抛物型缓坡方程建立了模拟近岸植被区波浪传播的数学模型,对模型进行了数值模拟验证,采用数值模拟试验分析了植被对波浪传播的影响。数值模拟结果表明,波浪在近岸植被区传播时,随着植被密度和植被高度的增加,波浪传播中的波高衰减增大,波能耗损增加;不同周期波浪在植被区传播中的波高衰减过程也明显不同。