不规则波在筑堤珊瑚礁上传播的大水槽实验研究

基于大比尺波浪水槽模型实验,开展了不规则波在建有防浪堤的珊瑚礁陡变地形上传播变形规律的研究。采用弗劳德相似准则,通过1∶20的物理模型实验,模拟了不同水位和波高周期条件下,波浪从深水(d/L_01/2)到极浅水(d/L_0 1/50)的传播-破碎-壅水过程。实验测得了陡坡19 m水深和7 m水深的浅水变形系数,结果表明波浪在陡变地形上的浅水变形系数与缓坡地形差别较大,且在一定范围内随相对水深的减小而减小;随着传播距离的增加,高频能量不断减小,能量会向低频转移,产生10倍以上入射波周期的低频波浪,且越靠近防浪墙,低频能量越大,水位壅高越大;利用低通滤波技术,测得了礁盘上壅水显著,结果表明防浪堤前的平均波浪增水与外海入射波高的平方成正比。     

波浪在珊瑚礁地形上破碎特性试验研究

对波浪在珊瑚礁地形上的传播特性进行了物理试验研究,将珊瑚礁地形简化为坡度为1∶5的陡坡(向海坡)加较长水平礁坪段的地形,对规则波和不规则波在该地形条件下的波浪破碎及波高沿程衰减进行了研究。结果表明,波高较小时,波浪破碎发生在礁坪上,但随着入射波高的增大,破碎位置逐渐向来浪方向移动,直至在向海坡段破碎。对于在礁坪上破碎的波浪,相对水深db/L0一定的条件下,破碎波高与入射波陡H0/L0相关,且变化趋势受相对水深db/L0的影响。同时给出了该地形条件下波浪破碎指标以及礁坪段破碎后沿程波高的计算公式。     

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。     

基于非静压模型的波浪空间聚焦研究

为研究波浪聚焦特性,分析极端波浪的产生机理,采用非静压模型通过数值模拟的方法对波浪聚焦的影响因素进行了详细研究。本文采用SWASH非静压波浪模型,模型垂向均匀分三层以保证足够的色散精度以及非线性精度来高效准确的模拟波浪在变化地形上的传播。研究发现在最大波浪未发生破碎时,波浪在半圆形凸起斜坡浅滩上传播,波浪聚焦是波高增大的最主要原因。初始kR(波数与浅滩半径乘积)值对波浪在该地形上的聚焦特性有着重要影响。初始kR越大,最大波高位置距聚焦地形坡脚的距离越远。当kR在1.4π~4.05π之间时,随着kR的减小,最大相对波高先增大后减小,当kR=2.45π时,最大相对波高达到极大值,可达2.48倍初始波高。     

三维波浪在岛礁地形上破碎特性试验研究

对三维波浪在岛礁地形上的传播特性进行了物理模型试验研究。为了探究三维波浪在岛礁地形上传播的破碎指标,将岛礁地形简化为1∶5的向海坡与水平礁坪相连的物理模型。对于不同波况下的规则波、不规则波、多向波在该地形上的破碎特性进行了研究。结果表明,在该地形条件下,较大入射波高的波浪均在礁坪上发生破碎,并且随着入射波高的增大,破碎位置向来浪方向移动,破碎指标与入射波陡H_0/L_0相关,斜向波浪传播受入射角度的影响。同时,文中也给出了在该地形下波浪的破碎指标,并将三维结果与二维结果进行了对比。     

波浪在缓变海底上传播的一个简单数学模型

基于Liu和Shi(2008)的波浪势函数零阶、一阶近似解,采用四阶龙格-库塔法,对缓变海底上一维波浪传播理论模型进行了数值求解,并对波浪在定常坡度的斜坡地形、双曲正切地形为例的传播、变形进行了研究。为了更逼真地描述流体质点的波动特性,将在Euler坐标系下得到的解转换至Lagrange坐标下的解,并绘制Lagrange坐标下坡度为0.2的海滩上的一个波周期内临近破碎前的波形的详细变化过程。此外,计算得到了变水深区域波浪速度势以及自由面的分布,并与Athanassoulis and Belibassakis[34]的结果进行了对比,表明本文模型比保留了六个瞬息项的后者更有效。     

斜坡平台波浪破碎数值模拟

波浪在斜坡地形上破碎,破波后稳定波高多采用物理模型试验方法进行研究,利用近岸波浪传播变形的抛物型缓坡方程和波能流平衡方程,导出了适用于斜坡上波浪破碎的数值模拟方法。首先根据波能流平衡方程和缓坡方程基本型式分析波浪在破波带内的波能变化和衰减率,推导了波浪传播模型中波能衰减因子和破波能量流衰减因子之间的关系;其次,利用陡坡地形上的高阶抛物型缓坡方程建立了波浪传播和波浪破碎数学模型;最后,根据物理模型试验实测数据对数值模拟的效果进行验证。数值计算与试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟斜坡地形的波浪传播波高变化。     

应用Boussinesq方程对由航道开挖所造成水深变化对波浪传播所产生的异常波

应用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程采用有限差分法建立了非线性数值波浪模式，并该模式对由航道开挖所造成水深变化对波浪传播产生的异常现象进行了数值模拟研究。从结果来看这种异常波浪局部增大现象是由于入射波与航道夹角过小，使波浪无法折射入航道，而在航道两侧反射叠加的结果。因此说水深的变化对波浪产生的反射现象也是不可忽视的。     

珊瑚礁坪波浪的衰减特性分析

珊瑚礁海底与一般的礁石或泥沙海底结构相差很大，波浪衰减特性也相差较大。根据实测海浪资料，讨论波浪在礁坪上传播的衰减特性和波浪能量的转移。分析结果表明，在相对水深为0．0613—0．0867之间，波浪传播单位距离(100m)的波高衰减系数为22．09％—46．56％，平均值为31．35％；波能衰减系数为33．74％—53．23％，平均值为43．61％。波浪在礁坪上传播过程中，高频损失的能量多于低频，谱能量向低频转移。应用统计方法得到波高、波能衰减系数与相对水深D/L关系的拟合方程。     

珊瑚礁地形上破碎波高试验研究

破碎波高是珊瑚礁地形上波浪演化的重要参数之一,对工程安全和海岸变形具有重要影响。通过二维波浪水槽,对珊瑚礁地形上破碎波高进行试验研究,分析破碎波高随波陡、礁坪水深以及礁前斜坡坡度的变化。研究表明,相对破碎波高随相对礁坪水深的增大而增大,随入射波陡的增大而减小,但礁前斜坡坡度对相对破碎波高的影响并不明显。通过引入相对礁坪水深,将经典的破碎波高计算公式拓展至珊瑚礁地形上破碎波高的计算。该公式计算值与前人的试验值进行对比验证,吻合较好。研究成果可为工程实践和数值模拟提供参考与借鉴。     

波浪变形的数学模型

本文给出一个在复杂水深地形条件下计算包括折射和绕射效应的线性波浪变形数学模型。该模型用差分方法进行求解,并应用于兴化湾江阴岛码头及航道的波浪要素计算,所得结果与其他方法的结果进行比较。通过实际应用说明它是计算开阔海域波浪变形的有力工具。     

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。     

礁坪上波浪传播的数值模拟

本文基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。     

极端波浪条件下深水导管架基础结构波浪总力试验研究

波浪力对海上风电深水导管架基础结构的稳定性和安全性至关重要。通过波浪物理模型试验对极端波浪条件下深水导管架基础结构的波浪总力进行了试验研究,试验水深包括50 m和70 m两种,在1 000 a一遇波浪条件下,分别分析了深水导管架结构所受的波浪总水平力和垂直力。研究结果表明：相同重现期极端波浪作用下,70 m水深情况下的导管架结构波浪总水平力小于50 m水深的结果,但是70 m水深的导管架结构波浪总水平力弯矩大于50 m水深的结果;相同水深、水位和波浪条件下,导管架结构受到的波浪总垂直力明显小于波浪总水平力;在相同重现期极端波浪作用下,低水位情况时70 m水深的导管架结构波浪总垂直力与50 m水深的结果差别不大,但是在高水位时,由于在70 m水深的极端波浪条件下波峰可冲击作用到上部平台底面,70 m水深的导管架结构波浪总垂直力明显大于50 m水深的结果。     

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。     

基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程二维波浪传播数值模型

建立基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程的二维波浪传播数值模型。采用Kennedy等提出的涡粘方法模拟波浪破碎。在矩形网格上对控制方程进行离散,采用高精度的数值格式对离散方程进行数值求解。对规则波在具有三维特征地形上的传播过程进行了数值模拟,通过数值模拟结果与实验结果的对比,对所建立的波浪传播模型进行了验证。同时,为了考察非线性对波浪传播的影响,给出和上述模型具有同阶色散性、变浅作用性能但仅具有二阶完全非线性特征的波浪模型的数值结果。通过对比两个模型的数值结果以及实验数据,讨论非线性在波浪传播过程中的作用。研究结果表明,所建立的Boussinesq水波方程在深水范围内不但具有较精确的色散性和变浅作用性能,而且具有四阶完全非线性特征,适合模拟波浪在近岸水域的非线性运动。     

一个改进的二阶Boussinesq方程模型在线性波浪反射问题中的适用性研究

基于改进型的二阶Boussinesq方程,在交错网络下建立数值模型.利用模型模拟波浪在常水深情况下的传播,波浪反射系数均低于2％.利用该模型模拟波浪在平斜坡前的反射,并将数值结果与解析解进行对比.结果表明,对于相对水深较大情况,坡度较陡时模拟结果明显偏大;对 于相对水深较小情况,坡度超过1:1时,数值结果仍与解析解有....     

近岸波浪增水与近岸流的计算方法研究

本文针对实际波浪及地形的复杂性，提出了一套用于计算缓坡不规则地形上波浪增水与近岸流的数学模型。该模型采用经典的力学平衡机制，以二维不规则波浪为源动力，并着考虑了近岸波浪与波浪增水之间的相互作用，其物理背景符合工程应用的要求。     

黄河三角洲飞雁滩海岸的侵蚀及机理

飞雁滩海域是1964－1976年黄河刁口河流路入海区域。根据地形和断面水深监测资料，阐述了该岸段流路废弃后的岸滩侵蚀特征和地貌变化。研究结果表明，刁口河流路废弃后飞雁滩海岸向海凸出的地形特征，是造成该岸段强烈侵蚀的重要原因。进一步结合波、流动力的对应分析认为，波浪以掀沙为主，潮流以输沙为主，波浪和潮流的联合作用是飞雁滩海岸侵蚀的主要动力机制，其中潮流主要通过余流携沙外榆，造成近岸泥沙亏损。     

有限长正弦地形上的波浪传播问题研究

应用基于势流理论的频域边界元方法,研究了波浪在有限长正弦周期地形上的传播问题.开展了网格收敛性分析,并与物理模型试验结果做了对比,验证了数值方法的准确性.研究了正弦地形长度和幅度对水波反射率的影响,以及波浪在周期性地形上传播时的沿程波幅变化.研究发现,波浪反射系数随波数的变化及波浪幅值沿程的变化均呈包络状;当频率处于布拉格共振区域边缘且反射率为零时,周期地形上会出现极大的波幅;随海床波幅增大,第一布拉格共振带变宽且向低频移动.