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。     

波浪谱形对不规则波数值模拟的影响

通过数值模拟分析了波浪谱形对不规则波浪数值模拟结果的影响.采用不同参数的JONSWAP谱模拟入射波要素,基于抛物型缓坡方程模拟不规则波浪的传播,分析了波浪谱形状对波浪数值模拟结果的影响.结果表明,采用抛物型缓坡方程模拟不规则波浪时,入射波浪谱形对模拟结果影响不明显;但由于模型中非线性项的影响,采用不规则波模拟的波高分布和采用规则波模拟的结果略有差别.     

斜坡上波浪破碎与越浪非静压数值模拟

为合理确定防浪建筑物的越浪量,基于含非静水压力梯度项的非线性浅水方程建立了近岸波浪越浪数值模型。通过采用域内造波、消波并结合波前静压假定的破碎模型,模拟了规则波和不规则波在斜坡上的波浪传播变形,并在此基础上进行了越浪量数值计算。数值计算结果与物理模型实验结果表明,非静压模型可合理地描述波浪破碎点位置、破碎后的波高、增减水以及斜坡上的堤后越浪量。数值模型具有较高的计算精度和计算效率,可为实际工程防浪建筑物越浪以及堤顶高程的设计提供一种新的数值研究手段。     

海岸波浪多次破碎波能耗散模型

在坡度很缓(接近或小于1∶100)的海岸,波浪在向海岸传播的过程中,可能经历多次破碎,而在两次波浪破碎之间将伴随着波浪恢复(波浪恢复到不破碎状态)。在现有海岸波高计算模型中,波浪破碎是通过波能耗散来模拟的,但所采用的波能耗散模型都不能自动考虑波浪出现多次破碎的过程,特别精确模拟这一过程中出现的波浪恢复。本文提出了解决这一问题的新的波能耗散模型,模型的建立是通过在Dally模型中重新建立稳定波能、饱和波高水深比和波能耗散系数,并引入了波浪恢复的判断条件实现的。该模型的波能耗散在波浪恢复区的值很小故能描述波浪恢复区的波浪运动。与实验结果的对比表明,新模型可以适合缓坡情况波浪多次破碎的波高模拟,而且对不同坡度的平坡和沙坝海岸(1∶100～1∶10)的破碎波模拟都可以给出与实验结果符合的结果,并且可以自动识别多次波浪破碎的存在和波浪恢复的发生。     

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.     

岛礁地形上斜坡堤前破碎波流场数值模拟研究

基于SPH方法建立波浪数值水槽,对岛礁地形上的波浪传播变形进行了数值模拟,分析了岛礁地形上波浪破碎过程的波高和水质点波动流速分布,并采用波浪水槽物理模型试验数据进行对比验证。结果表明,该模型可以较准确地模拟岛礁地形上波浪破碎引起的波高和波动流场沿程变化。在此基础上模拟了礁坪上建设斜坡堤后的波动流场,分析了斜坡堤对礁坪上流场形态、沿程波高、波动流速垂向分布及近底流速的影响。结果表明：在建设斜坡堤后,礁坪上波浪破碎更加猛烈,波浪破碎点前移;沿程波高与波动流速受反射波影响明显,沿程波高变化呈现为先增大、再减小、再增大,最后在防波堤堤脚处减小,近底流速变化趋势则与之相反;在堤前半倍波长范围内反向近底流速峰值较非岛礁地形上规范公式计算值增幅较大。     

考虑波能耗散的近岸波浪传播数学模型

基于考虑能耗的定常缓坡方程，推导得出包含波能耗散的近岸水域波浪传播变形数学模型，并用所得模型对浅水中波浪的传播进行了计算，将计算结构与Berkhoff的实验数据进行比较，表明二者吻合很好。该数学模型能较好地解决波浪在浅水中的传播变形问题。     

可渗透海床单桩孤立波破碎波浪力数值研究

当波浪传播至近岸浅水区时易发生破碎,波浪破碎后水体直接拍击单桩结构,其波浪作用力显著增大,可能导致结构失稳破坏。首先建立包括斜坡海床的数值波浪水槽,并与已有研究进行对比验证。进而开展考虑斜坡海床可渗透性的孤立波数值模拟,分析孤立波传播与浅水化破碎特征,着重研究竖直单桩上破碎波浪力的特性,及其与单桩位置、海床渗透率的关联性。数值研究发现:对于低渗透率海床,随着单桩位置由深水向岸线位置变动,其所受波浪力先增后减,所受波浪力最大的桩体位置随海床渗透率增加而从波浪破碎点前方移动至破碎点后1D处,而在高渗透率海床上不同位置处桩体所受波浪力均较小;随海床渗透率等梯度增加,海床消波作用逐渐增强,波浪破碎进程延缓,波浪破碎点向岸线方向加速移动,单桩上破碎波浪力呈整体下降趋势,但可能因波浪破碎点的位置变动导致部分位置桩体所受波浪力异常增大。     

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。     

基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究

准确确定越浪量对于斜坡堤设计有重要意义。利用格子Boltzmann方法(LBM),并采用主动吸收式速度入口造波、出流边界消波、VOF方法追踪自由表面以及静态Smagorinsky模型模拟紊流运动,建立二维数值波浪水槽,对光滑斜坡堤上规则波与不规则波越浪进行数值模拟。模拟结果与试验值及其他数值模型结果比较表明,二维LBM数值波浪水槽具有模拟斜坡堤越浪的能力,但对于破碎较为剧烈的越浪过程模拟,该模型还存在一定的不足,未来可从提高自由表面模型精度等方面进一步改善其性能。     

基于改进缓坡方程的波浪传播数值模拟

用变分原理导出考虑底坡一阶导数平方项和二阶曲率项影响的缓坡方程,对传统缓坡方程作了改进,提高波浪在海底地形变化剧烈、水深较浅时数值模拟精度。数值计算与已有实验室试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟有剧烈变化的海底地形的波浪传播,比传统缓坡方程模型计算结果在精度上有明显提高。     

长江口水域波浪数值计算

利用高阶非线性抛物型缓坡方程对长江口水域的波浪传播变形作了推算,依据测站的资料分析数值模式中的底摩阻因子和风能输入因子对波浪传播的影响,进而确定其参数。针对不同导堤结构型式,分析了潜堤的波浪传递系数,最后对长江口二期整治工程完成后水域的波浪场作了推算。     

水流中波浪绕射折射数值计算与分析

提出了水深与流场缓变水域波浪传播数学模型－水流中依赖时间变量并考虑能耗的波浪“缓坡方程”及其等价的控制方程组,分析比较了无不流情况此理论模型与其相庆的两种抛物线型的差别,同时讨论了水流对波浪计算结果的影响。部分计算实例表明：该模型较其他模型能更好地适应河口三角洲大范围水域的波浪传播变形数值计算,且在强流河口呼近岸地区必须考虑水流对波浪影响,否则计算结果将严重失真。     

木本植被覆盖岸坡上波浪爬升过程的数值模拟研究

近岸木本植物构成的生态缓冲带作为新型的海岸软防护结构,兼具功能性和生态友好性,在沿海工程建设中愈发受到关注,如何深入开展其防护效果的机理研究是目前亟待解决的问题。本文采用数值模拟方法,在N-S方程中分别考虑树枝和树干的拖曳力影响,提出了木本植被作用下波浪沿斜坡爬升的表面波衰减的连续介质等效模型,并采用MAC法来跟踪自由曲面上的水颗粒轨迹。本文以波浪沿1/30的斜坡爬升为算例,对比讨论了有无植被作用下波浪的传播过程,并将算例结果与以往试验结果规律进行对照,验证了数值模型的有效性。最后,分别讨论了植物枝干的高度、密度、树枝倾斜角度等植被特性和波浪因素对植被消浪效果的影响,得到植被消浪的基本规律。文中的计算结果也可为实际的护岸工程和生态景观设计提供参考。     

一般曲线坐标系下波浪传播的数值模拟

在曲线坐标系下,建立了缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型.模型适宜于复杂变化的边界形状,克服了各种代数坐标变换的局限性.在建立模型时,将原始的椭圆型缓坡方程的近似型式——依赖时间变化的抛物型方程,作为控制方程,既克服了一般抛物近似方法的缺点,又便利了方程的求解;从开边界条件、不同反射特性的固壁边界条件相统一的表达式出发,对边界条件进行处理;用ADI法数值求解控制方程.对模型的验证表明,数值解与物模实验值吻合良好,模型对于具有复杂边界的工程实际有较强的适应性.     

适于模拟不规则水域波浪的缓坡方程两种数值模型比较

本文分析比较了适于不规则水域波浪模拟的椭圆型缓坡方程两种数值模型。两种数值模型均采用有限体积法离散,分别基于四叉树网格和非结构化三角形网格建立。首先结合近岸缓坡地形上波浪传播的经典物理模型实验对两种数值模型分别进行了验证,并结合计算结果对比分析了两种模型的计算精度和效率。计算结果表明,两种数值模型均可有效地模拟近岸波浪的传播变形;相对非结构化三角形网格下的模型,基于四叉树网格建立的数值模型在数值离散和求解过程中无需引入形函数、不产生复杂的交叉项,离散简单,易于程序实现,且节约计算存储空间,计算效率高。     

任意曲线边界条件下缓变水深水域波浪传播的数值模拟

缓坡方程被广泛地应用于描述波浪的传播变形计算,目前一般采用矩形网格求解.将计算域剖分为任意四边形网格,以格林公式为基础,在变量沿单元边界线性变化的假定下,对双曲型的波能守恒方程、波数矢无旋性方程进行离散,同时通过等参单元变换推求节点偏导数值以离散椭圆型光程函数方程,从而建立了任意曲线边界条件下缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型.将模型应用于平行直线型等深线地形,并将计算域剖分为不规则四边形网格,对不同入射角、底坡、波高等多种组合情况比较了数值解与解析解,结果表明两者一致.应用于复杂边界的实例,数值模拟结果与物模实验值基本吻合.