南沙群岛礁概化地形上拍岸浪数值模拟与统计分析

南沙群岛珊瑚岛礁众多,大多数岛礁具有向海坡陡峭、外礁坪比较平缓的特征。将南沙群岛岛礁的迎浪向地形概化为陡坡和缓坡组成的双斜坡,采用FUNWAVE-TVD模式数值模拟概化地形上的波浪,根据模拟的破碎波高分析其拍岸浪特征。对拍岸浪数值模拟结果进行比较分析,向海坡的坡度对拍岸浪影响不大,外礁坪上拍岸浪高随地形坡度增大而略有增大;向海坡和外礁坪交界位置(即坡折点)水深对拍岸浪有比较明显的影响,拍岸浪高随坡折点水深增大而减小;拍岸浪高随入射波高和波周期增大而增大。利用大量的拍岸浪数值模拟数据对国内外5种统计模型进行检验,并且基于拍岸浪数值模拟数据建立了3种南沙群岛岛礁拍岸浪统计模型,计算结果显示这些模型适用性较好。     

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。     

强非线性和色散性Boussinesq方程数值模型检验

采用同位网格有限差分法,建立了强非线性和色散性Boussinesq方程数值计算模型。以稳恒波Fourier近似解给定入射波边界条件,对均匀水深深水和浅水域不同非线性的行进波、缓坡地形上深水至浅水域的浅水变形波、以及缓坡和陡坡地形上的波浪水槽实验进行了数值计算,并将计算结果与解析解、解析数值解以及实验值进行了较为详细的比较,从而检验了模型的色散性、非线性以及不同底坡下非线性波的浅水变形性能。     

岛礁地形上拍岸浪的数值模拟研究

近年来,越来越多的海岸工程与军事活动在岛礁上展开。研究岛礁地形上拍岸浪的传播特征具有重要的指导作用和现实意义。在对波浪破碎的研究中,数值模拟方法以其经济可行、操作性强的优势而得到了广泛的应用。本文采用基于完全非线性Boussinesq方程的数值模型FUNWAVE-TVD模式,对岛礁地形上拍岸浪的传播过程进行模拟,并将模拟结果与实验室数据进行对比。在此基础上,通过修改岛礁前坡坡度,分析了不同坡度下波浪的传播变化特征。结果表明,FUNWAVE-TVD模式能够较为准确地模拟岛礁地形上拍岸浪的非线性作用以及破碎现象。波浪破碎位置随岛礁前坡坡度的减小而前移。     

岛礁环境波浪传播、雍水及越浪量2D模型试验研究

岛礁与大陆沿海地区的不同之处在于,它们与深水相邻,暴露于非常大的台风波浪中,并且大多数包括边缘珊瑚礁,地形变化急剧,水深由几十甚至上百米突变到1～2 m。外海波浪在礁盘边缘处发生破碎,并沿着礁盘行进,波浪形态发生重大变化,传至岛礁上的浪涌和波浪产生非线性作用,且礁坪上地形复杂,难于建立数值水槽进行研究。国内现有的海岸工程设计规范主要是针对大陆海岸,但没有针对地形复杂且水深急剧变化的深水岛礁的相关条文,而这对于确定岛礁上护岸高程、护岸距离礁盘边缘的距离等非常重要。本研究旨在研究岛礁环境中,外海波浪传递至礁盘上沿程的水动力数据,并测量距礁盘边缘400 m处的护岸越浪量,为岛礁上水工建筑物设计与应急管理提供设计参考依据。     

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。     

缓坡地形拍岸浪数值模拟研究

采用基于完全非线性Boussinesq方程建立的精细化海浪数值模型——Funwave-TVD模式及水槽实验数据进行拍岸浪数值模拟研究,并对不同入射情况拍岸浪进行数值模拟得出:拍岸浪缓坡传播过程中,均符合波高先增大直至破碎后迅速减小这一现象;在典型坡度1.91°(1∶30)情况下,进行了大量数值模拟,当仅入射波高增大时,破碎波高增大,破碎位置向深水区移动;当仅入射周期增大时,除上述特征外,当周期增大到一定程度时,这种趋势显著减弱;同时,当入射周期和波高较大时,非线性效应增强,模拟结果出现不稳定。下一步将利用实验与数值模拟相结合的优势,对前人拍岸浪预报方法和理论进行深入分析研究,为实现拍岸浪精细化预报提供优化解决方案。     

基于弱非线性RIDE模型的植物消浪数值模拟研究

通过基于考虑波浪非线性频散关系的椭圆型缓坡方程数学模型(RIDE),在原高阶的控制方程中添加植物阻力项,建立了模拟植物区波浪传播的数学模型(RIDE-VEG)。将计算结果与规则波在植物场中变形的水槽试验数据进行比较,验证良好,并分析了植物区特征参数对于波浪传播的影响。针对相对淹没度、植物密度和波浪周期等因素对波高衰减的影响进行敏感性分析,结果表明其三者对于消浪效果的影响是单调的,但消浪效果对于波浪周期的敏感程度则较其余二者为弱。与其他学者的研究相比,忽略流场效应的RIDE-VEG模型较其它的模型计算更为简便,且计算结果较为满意。     

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。     

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。     

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。     

波浪在三维圆形岛地形上的绕射研究

波浪在传播过程中遇到岛屿就会发生绕射。本文使用混合元方法对修正型缓坡方程进行了数值求解,并与KUO et al的解析解进行了比较验证。在此基础上研究了工程尺度背景下,波浪在三维圆形岛地形上的绕射,计算了不同入射波浪周期、浅滩形状参数和岛屿尺寸情况下,沿波浪传播方向断面上和岛屿岸线上的相对波高大小。计算结果表明：随着入射波周期的减小、浅滩形状参数的增大和岛屿尺寸的减小,圆形岛迎浪侧的相对波高振荡幅度、圆形岛背浪侧的相对波高大小以及岛屿岸线上的相对波高振幅和大小均随之增大。不同情况下,岛屿岸线上的相对波高最大值大多数发生在迎浪点,个别发生在迎浪点两侧20°~25°处;最小值发生在背浪点两侧30°附近。     

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。     

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。     

修正型缓坡方程的有限元模型

与缓坡方程相比,修正型缓坡方程增加了地形曲率项和坡度平方项,从而提高了数值求解的复杂性。本文将计算域划分为内域和外域,内域为水深变化区域,使用修正型缓坡方程,其中的地形曲率项和坡度平方项可用有限单元各节点的水深信息和单元插值函数表示,外域为水深恒定区,速度势满足Helmholtz方程,通过内外域的边界匹配建立有限元方程,并用高斯消去法求解。进而分别模拟了波浪传过Homma岛和圆形浅滩的变形,其结果与相关的解析解和实验数据吻合良好,证明了本文有限元模型的正确性。同时,通过与实验数据的对比也明显看出,在地形坡度较陡的情况下,修正型缓坡方程较缓坡方程具有更高的计算精度。     

弱非线性斯托克斯波在非平整海底上传播的新型抛物型方程

由于缓坡方程计算量大和其本身的缓坡假定而在实际应用中受到了限制,故对斯托克斯波在非平整海底(适用于缓坡和陡坡地形)上传播的Liu和Dingemans的三阶演化方程进行抛物逼近,得到一个新的非线性抛物型方程,它能够包含同类方程未曾考虑的二阶长波效应.通过数值计算结果与Berkhoff等人的经典实验数据的比较,证明所提出的抛物型模型理论具有较高的精度.     

珊瑚岛礁海岸多尺度波流运动特性研究新进展

珊瑚岛礁海岸波流动力复杂、地貌形态特殊、工程响应未知, 波浪传播变形和波生环流对建筑物安全、地形地貌演变、防灾减灾和生态环境保护都有重要影响。本文从大范围大洋海脊导波与岛礁波浪俘获、中等尺度的礁坪-潟湖-裂口系统波流特性、建筑物前沿的局部波流特性及工程响应等三种不同空间尺度上综述了波流运动特性研究的新进展, 主要包括深水大范围的海脊波浪引导与岛礁波浪俘获的理论解析、礁坪-潟湖-裂口系统整体物理模型实验、基于大水槽实验的建筑物影响下波流演化过程及越浪量和波浪力计算方法, 并提出亟需深入研究的重点内容。     

波浪作用下近岸区污染物输移扩散的数学模型及其实验验证

在近岸缓坡浅水海岸,波浪破碎产生沿岸流是近岸海域流场的重要组成部分,它对污染物输移扩散规律的影响重大,在高阶近似抛物化缓坡方程求解大面积波浪场基础上,建立了波浪作用下污染物输移扩散数学模型.计算结果与不同坡度均匀斜坡地形上具有不同波高、周期的规则波及不规则波浪作用下污染物输移扩散实验结果进行了比较,分析了各种因素对波浪作用下沿岸流分布规律影响,所得结论认为地形坡度及入射波高对污染物输移扩散的影响较大,波浪作用将使缓坡海滩上污染物的输移扩散平行岸线方向.     

基于扩展型双曲缓坡方程波浪传播模型

在时域缓坡方程中,引入非线性修正项、高阶地形影响项以及能量耗散项,推导得出扩展型双曲缓坡方程。基于该方程,利用ADI格式建立波浪传播数学模型,并应用于椭圆形浅滩、Bragg反射正弦沙涟地形以及斜坡地形的波浪传播计算,计算结果与试验数据均吻合良好,表明该模型能够对近岸波浪的折射、绕射、反射、浅水变形、弱非线性、陡变地形影响以及破碎进行较好地模拟。     

长江口附近海域台风浪的数值模拟--以鹿沙台风和森拉克台风为例

利用SWAN波浪模型计算长江口附近海域的台风浪,鉴于长江河口岸界和地形复杂,拟采用曲线网格.为证实曲线网格下的SWAN模型对于复杂地形的有效性,首先选用美国特拉华大学波浪水池实验资料对SWAN模型进行检验,结果表明利用曲线网格能不过多增加计算量而提高关键区域的计算精度.以0215号鹿沙台风和0216号森拉克台风为例,将SWAN模型应用到长江口附近海域,进行台风浪的数值模拟.通过浮标测站实测资料验证,表明有效波高计算值与实测值符合良好.通过综合分析模型计算的波浪场,说明SWAN模型能合理地反映长江口附近海域台风浪的分布.