非线性三维波波要素的计算方法

本文根据作者以前提出的重力表面波非线性相互作用理论解,系统地探讨非线性三维波波要素四阶近似理论关系式的计算方法,其中包括二维行进波和立波,也适用于斜向波与直墙相互作用(全反射和部分反射)。给出二种主要计算情况的计算方法,其中包括利用拟牛顿法求解非线性波要素方程组,卡尔丹法、迭代法和级数近似解析式,分析比较表明,本文提供的计算方法较为精确、有效,可应用于计算波浪及其与建筑物相互作用。     

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。     

非线性效应对浅水水波变形的影响

本文采用波数矢量无旋和波能守恒方程建立了一个考虑非线性作用的浅水水波变形数值模型,模型中采用Ｂａｔｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能守恒方程一起来求解波浪在浅水中变形的波浪要素,在波能守恒方程中考虑了底摩擦的影响。利用本文提出的数值模型对一个斜坡浅滩水域波浪折射绕射现象进行了验证,验证计算中用一个非线性经验弥散关系近似浅水水波变形的非线性效应并与用线性弥散关系的计算结果进行了比较,结果说明使用非线性     

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。     

非线性波的计算及其应用

本文在L.W.Schwartz的关于定常二维非线性波算法基础上,提供了适用于有限水深的五阶非线性波的简化算法。该算法可以方便地用于海洋结构物波浪载荷的计算,具有工程上可以接受的精度。当前,海洋结构物波浪载荷的计算,仅限于线性波理论,有时是不能满足工程需要的。许多非线性波的算法占用计算机内存大,耗费机时多,作为海洋结构物波浪载荷计算的子程序,应用上不方便。本文的研究工作旨在简化非线性波的计算,尽可能的压缩关于波动海面下流场计算的计算机子程序的规模。     

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。     

波浪的非线性显式弥散关系

波浪的非线性弥散关系在应用于求解波浪的变形问题时很不方便，需要与含非线性效应的缓坡方程一起进行迭代运算，往往导致数值计算的计算量太大，计算过于复杂。采用显式形式表达非线性弥散关系，可以克服上述缺点，大为简化波浪变形数值计算的计算量。本文通过将现有的非线性弥散关系进行分析比较，给出了一个更为一般的非线性弥散关系及其显式表达式，经比较可知，该显式弥散关系与相对应非线性弥散关系吻合的很好。本文最后用该显式结合含弱非线性效应的缓坡方程，对复式浅滩地形上的波浪折射绕射进行了计算。结果表明，考虑弱非线性可以得出与实验数据更为相符的结果，而采用显式弥散关系可以有效提高计算效率,在波浪的非线性计算中不失为一种切实有效的方法。     

浅水区波浪非线性效应对砂质海床动力响应的影响

以广义Biot动力固结理论为基础,运用一阶椭圆余弦波和二阶Stokes波等非线性波浪理论考虑浅水区波浪荷载的非线性效应,在时域上采用有限元方法对非线性波浪力作用下饱和砂质海床的动力响应进行了数值求解,并与线性波浪作用下海床动力响应特性进行了对比分析。结果表明,随着波长与水深之比L／d及无量纲参数T(g/d)^1/2的增大,非线性波浪对海床动力响应的影响增大。与线性波浪理论相比,孔隙水压力与有效应力幅值的增大效应非常显著。因此在近海海洋建筑物设计与工程场地评价中,波浪力的非线性特性必须引起注意。     

无限水深聚焦波完全非线性数值模拟

基于势流理论提出一种新的高阶边界元方法对无限水深的聚焦波浪进行完全非线性数值模拟.自由水面满足完全非线性边界条件,模拟波浪的非线性效果可以达到更高阶.利用镜像原理,建立一种全新的格林函数应用到无限水深的数值波浪水槽中,以致于两无限深水槽侧壁的积分可以被排除.为了产生相应的入射波和吸收出流波浪,一个由点源组成的造波装置被布置于计算域内,同时人工阻尼层被用来吸引出流波浪,由波浪聚焦的方法得到极限波浪.通过开展线性和完全非线性聚焦波浪的数值实验及与理论解对比,验证本数值模型可以用来模拟无限深水域的极限波浪,且在出流边界没有反射.     

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.     

非线性波浪波面追踪的一种新模式

基于Laplace方程的Green积分表达式和波面BemouUi方程所建立的非线性波动数学模型,是一个时域上具有初始值的边值问题,而精确地追踪自由表面的波动位置,给出波面运动瞬时的波面高度和波面势函数,是建立时域内非线性波浪数值模式的基础。本文采用0-1混合型边界元剖分计算域边界并离散Laplace方程的Green积分表达式,采用有限元剖分自由水面并推导满足自由表面非线性边界条件的波面有限元方程,联立计算域内以节点波势函数和波面位置高度的时间增量为未知量的线性方程组,通过时步内的循环迭代,给出每个时步上的波面位置和波面势函数,从而建立了一种新的非线性波浪波面追踪模式。数值造波水槽内的波浪试验表明,其数值模拟结果具有良好的计算精度。     

均匀倾斜水底上非线性波浪的传播与变形Ⅱ——波浪的破碎

本文依据前文[1]提出的理论系统讨论倾斜水底上的破碎深度及破碎波高等波浪破碎特性。文中采用了运动学波浪破碎判据并考虑了回流对波浪破碎的影响。考虑到问题的复杂性,引入两个经验参数后所得的最终结果与观测较好地符合。进一步的实验验证与理论研究是必要的。     

泥床上的波浪衰减：—伪塑性体模型

由于不同的淤泥其流变特性不同，部分淤泥的本构关系可以用伪塑性模型近似，因此本文提出上层为理想流体，下层为伪塑性体的双层流体模型模拟淤泥床的波浪衰减。文中利用线性化方法求解伪塑性体这种非线性模型的边界值问题，并根据色散方程的数值解讨论了模型参数对波浪衰减的影响。文中最后指出，模拟泥床上波良衰减的其它非线性模型也可以通过本文提出的等效功原理求解。     

波高非线性概率分布高阶谱数值模型研究

由于波浪的调制不稳定以及非线性波-波相互作用等因素的存在,波浪的分布会偏离线性假设下瑞利分布的结果。通过使用高阶谱模型对不同初始条件下波浪数值模拟。对统计得到的波高与线性理论下的瑞利分布和考虑非线性下改进的埃奇沃思-瑞利（MER）分布和依据Gram-Charlier展开的分布（GC分布）进行对比。结果表明,深水条件下波浪传播过程中偏度值变化较小,而峰度值出现增长。在较小有效波高值的波况下波高分布符合瑞利分布,但随着有效波高值的增加,波浪的非线性增强,波高分布与考虑非线性影响下的GC和MER分布结果相符。宽谱下的波高分布偏离瑞利分布的程度小于窄谱的情况,波高分布更接近瑞利分布的结果。     

风压作用下非线性极端波浪的数值模拟

本文在时域非线性数值波浪水槽中,研究了不同风速条件下极端波浪的特性。采用推板造波的方式生成非线性波浪,基于Jeffrey遮蔽理论将风压项引入自由面动力学边界条件来模拟风压作用,通过高阶边界元法和混合欧拉-拉格朗日时间步进法来求解初边值问题。通过与已发表的聚焦波群实验结果对比验证了该数值模型的准确性,并研究了风压对极端波浪的最大波高、聚焦位置的偏移和波浪谱的演变等波浪性质的影响。本文进一步在数值波浪水槽中引入均匀水流,来模拟风生流对波浪演变的影响。结果表明,风压的存在会少量增大极端波浪的最大波高,波浪的聚焦和解焦过程伴随着明显的能量传递,并且风生流进一步导致了波浪聚焦位置的偏移。     

方形墩柱上的非线性波浪荷载

本文应用积分方程和时间步进法,考虑了在以流函数理论为基础的非线性规则波作用下,方形墩柱结构上的非线性波浪力和力矩。已有的一些结果表明本文计算值与一些实测结果吻合良好。文章给出了一些可供一般工程设计参考数值计算结果和经验公式。     

热带海洋和大气非线性波动及其正压稳定性

本文利用常微分方程定性理论,研究了热带海洋、大气中非线性波动及其正压稳定性,得到了不同频率的非线性波动稳定性与大气、海洋中基本流动及其基本流动的水平切变之间的关系。     

数值波浪水槽中完全非线性浅水波仿真特性研究

应用基于势流理论的时域高阶边界元方法,建立一个完全非线性的三维数值波浪水槽,通过实时模拟推板造波运动的方式产生波浪。通过混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法更新自由水面和造波板的瞬时位置。利用所建模型分别模拟了有限水深波和浅水波,与试验结果、相关文献结果和浅水理论结果吻合较好,且波浪能够稳定传播。系统地讨论造波板的运动圆频率、振幅和水深等对波浪传播和波浪特性的影响,并对波浪的非线性特性进行分析,研究发现造波板运动频率、运动振幅以及水深均将对波浪形态和波浪非线性产生显著影响。结果为真实水槽造波机的运动控制以及波浪生成试验提供了依据,便于实验室设置更合理的参数来准确模拟不同条件下的波浪。     

考虑非线性弥散影响的波浪变形数学模型

提出了逼近Kirby和Dalrymple的非线性弥散关系的显式非线性弥散关系的表达式,该显式表达式与他们的非线性弥散关系的精度几乎完全相同.采用显式非线性弥散关系,结合含弱非线性效应的缓坡方程,得到考虑非线性弥散影响的波浪变形数学模型,并对该数学模型进行了数值验证.结果表明,考虑非线性弥散影响的波浪变形数学模型更为精确.     

水槽中浅水非线性长波传播的 Boussinesq 数值模拟

浅水非线性长波传播变形中会产生波-波相互作用,为较好地模拟这种现象,在非交错网格下建立了近似在阶完全非线性的高阶 Boussinesq 数值模型.数值模型中采用了混合 4 阶 Adams- Bashforth -Moulton 格式和内部造波技术.数值计算了非线性长波在波浪水槽中的传播变形,计算结果与相关实验数据吻合较好,验证了该数值模型实用性.