非淹没刚性植物对规则波传播变形影响实验研究

在海岸带种植红树林等水生植物可以有效的减小波浪对岸滩的破坏,系统全面地研究植物对波浪传播变形的影响是非常必要的。基于波浪水槽实验,探讨了规则波通过非淹没刚性植物波高的沿程变化,分析了水深、入射波高、植物模型密度及分布方式对反射系数、透射系数与波浪衰减系数的影响,同时与孤立波实验数据进行对比。实验结果表明,随着水深的增加,规则波的透射系数增加、反射系数和波能衰减系数减小;随着入射波高的增加,规则波的透射系数减小,反射系数和波能衰减系数增加。在分布方式相同的情况下,植物模型分布密度增加,规则波的反射系数和波能衰减系数增加,透射系数减小。在规则波入射方向上模型布置越紧密,规则波反射系数和波能衰减系数越大,透射系数越小。分析讨论了植物模型对规则波和孤立波的影响,在入射波要素相同的情况下,孤立波和规则波的能量衰减在50%左右,说明植物模型具有良好的消波作用。     

非淹没刚性植物对海啸作用下海堤水动力特性影响数值模拟研究

基于非静压单相流模型NHWAVE建立了高精度数值波浪水槽。通过设计不同的计算工况,系统研究了非淹没刚性植物对海啸作用下海堤周围水动力特性的影响。着重分析了不同入射波高、不同植物分布密度以及不同植物分布宽度条件下海啸波沿程波形特征以及海堤堤顶越浪流空间分布特征。结果表明:不同入射波高、植物分布密度以及植物宽度条件下,堤顶流厚度和水体流速具有明显单调的变化趋势,并且随着植物分布密度和宽度增大,波能衰减增大;随着入射波非线性增强,植物分布密度和分布宽度对堤顶前段水流厚度的影响也随之增强,而对堤顶后段水流厚度的影响则减弱,且堤顶后缘水流厚度约为堤顶前缘厚度的二分之一;在波浪非线性较大情况下,植物的存在对堤顶流速度的空间分布趋势几乎没有影响,但相对堤顶流速度增加程度均大于无植物情况,且堤顶后缘水流速度约为堤顶前缘的1.6倍。     

刚性植物对聚焦波爬坡影响的数值模拟

基于开源程序非静压模型NHWAVE(Non-Hydrostatic Water Wave Model),建立了高精度二维数值波浪水槽,系统研究了非淹没刚性植物对聚焦波爬坡的影响规律,并分析了有效波高、植物区密度和长度等因素对局部最大波高衰减系数、总波能耗散系数和最大波浪爬高的影响。研究结果表明：当聚焦波向岸传播时,局部最大波高衰减系数和总波能耗散系数均随有效波高、植物区密度和植物区长度的增大而增大。聚焦波的最大爬高随有效波高的增大而增大,随植物区密度和植物区长度的增大而减小。随着植物区密度和长度的增大,波峰聚焦的聚焦波相比波谷聚焦的聚焦波有着更大的最大波浪爬高。结果可为进一步认识沿岸防浪林对聚焦波浪的衰减效应和沿海地区的防灾减灾建设提供参考依据。     

沿程非均匀分布植物区对海啸波消减的数值研究

为研究近岸植物的非均匀分布对海啸波的消减作用,采用非静压单相流模型计算了5种不同密度分布植物与孤立波的相互作用,分析不同密度分布植物对海啸的消波特性。结果表明在植物总株数相同时,具有不同分布密度植物的消波效果相近,透射波波高差小于3%、最大流速差小于5.4%,但是不同植物密度分布情况下植物区前的反射系数有所不同,反射系数最大差为80.2%。此外,所有分布的植物区对波高和流速的透射系数随着波高和植物区长度变化的趋势是一样的,在不同入射波高和植物区长度情况下5种分布均呈现出相似的沿程衰减机制。     

刚性植物分布方式对海啸波消减影响实验研究

在理论分析的基础上通过物理模型实验探究了刚性植物分布方式对海啸波消减的影响。实验中借助孤立波模拟海啸波,分析了矩形、交错、组合三类分布方式下孤立波沿程波高、透射系数以及拖曳力系数的变化情况。结果表明,植物分布密度相等时,孤立波在矩形和组合分布植物模型前的壅高均大于交错分布植物模型。同时,植物分布密度一定时,分布方式将对植物消波产生影响,且植物间横向间距L2比纵向间距L1的影响更大。在雷诺数2000≤Rep≤4000且体积分数小于或等于0.331的条件下,各植物模型的拖曳力系数随植物分布密度的增大而增大。     

多向聚焦波作用下透水潜堤消波特性数值模拟研究

本文采用非静压模型NHWAVE建立高精度三维波浪数值水槽,对多向聚焦波作用下透水和不透水潜堤消波特性进行数值模拟研究。通过计算结果与实验数据的对比,验证了该模型模拟多向聚焦波产生传播及多孔介质内流动的能力,进一步考虑了有效波高、水深、谱峰周期和传播角度等因素对潜堤消波特性的影响。结果表明：潜堤对多向聚焦波的最大波幅、最大水位、沿水深平均最大流速和波能均有显著消减作用,且透水潜堤因孔隙介质的存在消波性能更好。随着有效波高增大,堤顶处波浪破碎点前移,不透水潜堤消波性能受波高影响较大。水深越大,潜堤消波性能越低。透水潜堤对长周期波浪消减效果较差。传播角度越小,聚焦位置处波幅越大,波浪非线性作用越强。研究结果可为我们进一步保护沿海设施免受极端海洋环境的影响提供一定的参考     

波浪非线性对海草消波特性的影响

海草所形成的植物消波体系能有效防止岸线的侵蚀。利用Sánchez-González等的实验数据分析了波浪非线性对海草消波特性的影响。研究结果表明,相对水深和波陡对海草床的波能衰减系数影响依赖于海草淹没度。相对波高一定时,拖曳力系数随相对水深的增大而增大。对给定的相对水深,拖曳力系数随波陡的增大而减小。波浪非线性对于规则波和非规则波海草消波特性的影响并不一致。用无量纲参数（邱卡数、雷诺数、厄塞尔数）表达拖曳力系数的效果取决于拖曳力系数与无量纲参数的关系中是否充分考虑波浪非线性对拖曳力系数的影响。     

海岸破碎带植物消浪数值模拟研究

沿海防浪林能形成柔性的植物消浪体系,可以有效降低风暴潮灾害。由于防浪林消浪效果受波浪、近岸水深及植物等多重因素的影响,消浪机理较为复杂,以往的系统研究成果较少。本文以立面二维自由面紊流模型为工具,建立了基于植物冠层特征的多孔介质模型,精细地模拟了破碎波对植物带的冲击,并与物理模型试验结果进行了对比验证,计算分析了植物带宽度、植物密度、滩地水深等因素对消浪效果的影响。     

基于类海啸波型的岛礁水动力特性数值模拟研究

基于非静压单相流模型NHWAVE建立了高精度二维数值波浪水槽,采用日本2011年实测真实海啸波型系统研究了海啸波在岛礁上传播变形的规律,并且分析了波高、礁坪淹没水深和礁前斜坡坡度等因素对孤立波和真实海啸传播变形的影响。结果表明,相比孤立波,类海啸波的波长明显大于孤立波波长,在测点处引起的水面变化持续时间更长,同等波高情况下真实海啸波型比孤立波能够携带更多的能量,与岛礁的相互作用也更为复杂,在礁坪上形成的淹没水深约为孤立波的两倍。礁前斜坡坡度和礁坪淹没水深均对类海啸波的反射和透射系数有显著影响。随着礁前斜坡坡度的增加,反射系数和透射系数均逐渐增加。随着礁坪淹没水深的增加,反射系数逐渐减小,而透射系数逐渐增大。但是,反射系数和透射系数均随着入射波高的增加而逐渐减小。     

非静压波浪模型无反射造波

非静压波浪模型是一种近年来得到迅速发展且有望在工程计算中获得广泛应用的波浪模型。为了在非静压波浪模型中实现无反射造波,在连续性方程中添加了质量源项进行域内源造波,并采用阻尼消波方法进行数值消波。数值算例结果表明,所建立的无反射造波方法可以较好地避免非静压波浪数学模型中的二次反射,实现长时间稳定波浪模拟。     

A rapid assessment method for calculating the drag coefficient in wave attenuation by vegetation

Vegetation in wetlands is a large-scale nature-based resource that can provide multiple benefits to human beings and the environment,such as wave attenuation in coastal zones.Traditionally,there are two main calibration approaches to calculate the attenuation of wave driven by vegetation.The first method is a straightforward one based on the exponential attenuation of wave height in the direction of wave transmission,which,however,overlooks the crucial drag coefficient (C_D).The other method is in accordance with more complicate equations for predicting the damping factor,which is regarded as a function of C_D.In this study,a new relation,combining these above two conventional approaches,is proposed to predict the C_D in an operative approach.Results show that values yielded by the new assessment method perform a strong linear relationship with a collection of historical observations,with a promising R~2 value of 0.90.Besides,the linear regression derives a new predictive equation for the bulk drag coefficient.Additionally,a calibrated value of 4 for the empirical plant drag coefficient(C_P) is revealed.Overall,this new equation,with the superiority of the convenient exponential regression,is expected to be a rapid assessment method for calculating wave attenuation by vegetation and predicting the drag coefficient.     

根、茎、叶定量概化植物模型沿程不规则波消减实验

在理论分析的基础上利用根、茎、叶均可量化的植物模型,开展波浪水槽实验。通过改变实验水深、入射波高、植物分布密度等因素,研究不规则波在植物群传播时沿程波高衰减特性,利用快速傅里叶变换对不规则波频谱变化情况进行分析。结果表明,各植物模型消波效果较好,但很少出现植物消波的边界效应,不规则波沿植物群的波高变化情况多数时与Mendez理论曲线不一致,植物群各部分的波能衰减情况并无固定的变化规律。此外,波能衰减集中在谱峰频率处,且入射波高越大,透射波与入射波之间的谱峰值差值越大,但透射波的频谱宽度与入射波相比无明显变化。本研究可为采用近岸植物消波护岸提供一定的理论依据。     

近岸波浪在刚性植被区域传播的数值模型

基于扩展型Boussinesq水波方程,建立了波浪在刚性植被覆盖的近岸海域传播的数值模型。通过在动量方程源项中引入拖曳阻力项考虑植被对波浪的衰减作用。控制方程采用有限差分和有限体积混合格式求解,模型稳定性强,具备间断捕捉能力,能有效模拟近岸区域波浪的传播变形、破碎和处理海岸动边界问题。利用所建立模型对典型物理模型实验进行模拟,计算结果与实验结果吻合良好,表明模型可用于波浪在刚性植被覆盖海域的数值计算。     

片状分布植被对孤立波爬高影响的数值模拟研究

近岸植被对波浪爬坡具有一定的衰减作用。在自然界中,由于植被的死亡、再生或人为破坏等原因,近岸植被通常呈片状分布,且其内部分布也是不均匀的。本文以完全非线性Boussinesq方程为基础,引入植被作用项,建立了模拟近岸植被区波浪传播的数值模型,验证了模型可靠性,进而采用该模型模拟分析了片状分布植被对孤立波爬高的影响。数值模拟结果表明,片状分布植被能有效减小孤立波爬高;对于均匀分布的片状植被,高密度片状植被对孤立波爬高的消减效果优于低密度片状植被;对于相同密度、不同分布形式的片状植被,均匀分布的片状植被对孤立波的消减效果优于不均匀分布的片状植被;对于不均匀分布的片状植被,前密后疏的片状植被对孤立波的消减效果优于前疏后密的片状植被。     

考虑植物影响的波浪和波生流迭加条件下水动力特性数值模拟研究

海岸湿地是近海地区重要的生态系统,由于潮流、波浪尤其是非连续水流与植被的相互作用,导致该海域的水动力环境复杂多变。本文发展了一个深度平均二维波流耦合数学模型,模拟湿地海域波浪和波生沿岸流的运动特性。水动力模型中植物拖曳力作为源项放入动量方程中,在波浪作用量平衡方程增加波能耗散项用于解释水生植物对波浪产生的阻力作用。在动态耦合模型中,波浪模型为潮流模型提供波浪辐射应力、波高、波浪周期等数据信息,潮流模型为波浪模型提供计算的水位和流速,可以达到双向动态耦合。本文发展的波流耦合模型通过三个实验室试验数据加以验证,计算结果和实验数据吻合较好,在波浪、波生流和植物迭加条件下,所建模型能够有效地模拟波浪、沿岸流等不同现象。     

Numerical simulation of solitary and randomwave propagation through vegetation based on VOFmethod

A vertical two-dimensional numerical model has been applied to solving the Reynolds Averaged Navier- Stokes （RANS} equations in the simulation of current and wave propagation through vegetated and non- vegetated waters. The k-e model is used for turbulence closure of RANS equations. The effect of vegeta- tion is simulated by adding the drag force of vegetation in the flow momentum equations and turbulence model. To solve the modified N-S equations, the finite difference method is used with the staggered grid system to solver equations. The Youngs＇ fractional volume of fluid （VOF） is applied tracking the free sur- face with second-order accuracy. The model has been tested by simulating dam break wave, pure current with vegetation, solitary wave runup on vegetated and non-vegetated channel, regular and random waves over a vegetated field. The model reasonably well reproduces these experimental observations, the model- ing approach presented herein should be useful in simulating nearshore processes in coastal domains with vegetation effects.     

高桩挡板透空式防波堤消浪性能数值研究

以RANS方程为控制方程,基于有限体积法,在动量方程中添加源项,建立了具有造波‐消波功能的数值波浪水槽。利用建立的源项造波数值波浪水槽,模拟了高桩挡板透空式防波堤在规则波作用下的消浪效果,完整地再现了堤前堤后的流态,分析了挡板相对入水深度对透浪系数的影响。在与试验值及拉帕公式对比后发现,数模计算结果与试验值较接近,拉帕公式偏大。研究了堤顶相对宽度、相对水深、相对波高对透浪系数的影响并提出修正公式,修正公式与计算值和试验值吻合较好。