近岸区不规则波成长模型的研究：II.模型的数值求解和验证

在建立近岸区不规则波成长模型的基础上,研究了波浪射线计算、传播能量守恒计算以及成长与衰减能量平衡计算的方法和格式处理,讨论了波数场、风场、水位和流场的确定方法。应用该模型计算了大亚湾的二维波谱场。与该海湾９６波浪仪实测资料对比,表明该模型的计算结果与实测资料相符良好。特别指出的是,在该模型的计算结果中周期随波浪的传播而变化。     

近岸区不规则波成工模型的研究：1.模型的建立

以不规则波在缓变地形和缓变流场水域的折射－绕射理论以及风浪的成长,衰减理论为基础,得到近岸区不规则波长成模型,结合近岸波浪特性和海洋工程应用的实际情况,建立综合考虑海岸,折射,白浪,底摩擦,流,风和非线性作用诸因素的近岸不规则波数值计算模型,该模型具有二维波谱特性及实用性,文章力图使模式更合理地反映近岸波浪的传播,成长和衰减规律而整个计算工作量则较小,可在微型电子计算机上得以实现。     

近岸区不规则波成长模型的研究 Ⅰ.模型的建立

以不规则波在缓变地形和缓变流场水域的折射-绕射理论以及风浪的成长、衰减理论为基础,得到近岸区不规则波成长模型。结合近岸波浪特性和海洋工程应用的实际情况,建立综合考虑海岸、折射、白浪、底摩擦、流、风和非线性作用诸因素的近岸不规则波数值计算模型。该模型具有二维波谱特性及实用性。文章力图使模式更合理地反映近岸波浪的传播、成长和衰减规律,而整个计算工作量则较小,可在微型电子计算机上得以实现。     

不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波

利用MAC(marker and cell)法直接数值求解连续方程和N-S方程.为模拟不规则波长时段连续造波及消除波浪遇结构物后形成的二次反射,采用了源造波法.对开敞边界,采用了海绵阻尼消波和Sommerfeld条件相结合的处理方式.     

先锋孤立子生成的理论平均波阻 Ⅱ.数值研究

基于fKdV方程系数的正则特性，以二维两层流的先锋孤立子生成问题为算例，用数值方法对本文部分（Ⅰ）中的理论平均波阻，能量劈分及能量劈分比进行检验。从理论与数值结果的比较知，理论与数值结果符合得很好。这表明本文部分（Ⅰ）中的理论平均波阻，能量劈分及能量劈分比可用于先锋孤立子生成参数的预报，也表明本文部分（Ⅰ）中的理论可推广应用于二维非线性强迫系统。     

内孤立波的研究与数值模型

海洋内孤立波是一种特殊的内波,它能够长距离的传播而保持波形的基本不变。世界上很多海域都观测到了内孤立波的存在,我国南海也是内孤立波频发的典型海区。本文介绍了内孤立波的生成机制、南海内孤立波的研究现状并探讨了南海内波的源、最后介绍研究内孤立波所用的传播模型,认为建立水平二维的内孤立波传播模型具有重要的意义。     

非线性波传播的新型数值模拟模型及其实验验证

以一种新型的Boussinesq型方程为控制方程组,采用五阶Runge-Kutta-England格式离散时间积分,采用七点差分格式离散空间导数,并通过采用恰当的出流边界条件,从而建立了非线性波传播的新型数值模拟模型.通过对均匀水深水域内波浪传播的数值模拟说明,模型能较好地模拟大水深水域和强非线性波的传播.通过设置不同的入射波参数来进行潜堤地形上波浪传播的物理模型实验,并将数值解与物理模型实验结果进行了比较.     

状态空间模型在海洋波能转换系统中的应用 Ⅰ.数值模拟方法改进

状态空间模型是研究海洋波能转换系统相互作用的一种有效数学模型.应用该模型的关键之一是如何根据实验或计算的脉冲响应函数来高效地确定状态空间模型中的矩阵参数.结合最优化理论中的单纯形法、最小二乘法以及矩阵指数的简化算法,提出了一种确定状态空间模型矩阵参数的有效数值方法.数值试验表明,由于该方法克服了高斯-牛顿方法的局部收敛性及其需求解矩阵指数关于参数的导数的缺点,因此大大扩展了初值的可选范围,有效地提高了数值模拟效率,并且使数值模拟结果具有较高精度.     

南海北部a波和b波的生成与传播特征的数值研究

本文基于真实地形、潮汐的高分辨率三维MITgcm海洋环流模式,对南海北部a波（大振幅波列形式）和b波（孤立子形式）的生成与传播特征进行了数值研究。首先,我们总结和分析了这些波动的生成与传播特征。然后我们计算了吕宋海峡的能量收支。能量的生成在一天内有三个极大值,其中最大值对应a波的生成。吕宋海峡西边界的能通量一天内有两个极大值,较大的那个对应a波的生成而另一个对应b波的生成。我们设计了敏感性试验来探究吕宋海峡东西海脊对a、b波的生成和传播造成的影响。通过对比敏感性实验和标准试验的结果,发现对于a波的生成东海脊必不可少,但西海脊几乎没有影响。西海脊削弱了a波的振幅但未对a波波速造成明显的影响。b波来自于从东海脊生成的扰动信号。西海脊加强了这个扰动信号但减慢了它的传播速度。     

SPH方法的孤立波与部分淹没结构物相互作用数值计算研究

为研究孤立波作用下结构物周围流场特征,基于无网格SPH方法,建立孤立波与海洋结构物相互作用模型,对不同波幅孤立波作用下部分淹没矩形结构物周围波面、流速、涡量及结构受力特征进行计算分析,探索了相对波高对非淹没结构物周围流场的影响规律。结果表明:流场特征与相对波高密切相关,相对波高较小时,波面、流速、涡量及结构荷载均较为光滑,相对波高在0.2以上时,波峰爬升至结构物顶部并在越过结构物后与水槽内水体碰撞造成流场波动,波面、流速、涡量及结构荷载的波动幅度随着相对波高增大而增大,流场更加复杂,结构物水平和垂向负压也越大,且结构物周围涡分布逐渐向深度方向和下游方向发展。     

象山港潮波响应和变形研究 Ⅱ.象山港潮波数值研究

通过象山港水域的潮波运动数值模拟,分析了象山港M4分潮的生成和增长机制．结果说明,潮波传播中的非线性底摩擦效应是M4分潮生成和增长的主要控制因子,M4分潮在湾内的共振现象也起着重要的放大作用二平流效应在绝大部分区域中抑制了M4分潮的发展,只有在佛渡水道中一些岛屿周围极小区域内对M4分潮有增强作用．潮滩在湾内对M4分潮的影响极其微弱．     

非线性波传播的新型数值模拟模型及其实验验证引入变换速度变量

以一种新型的含变换速度变量的Boussinesq型方程为控制方程组,采用五阶Runge-Kutta-England格式离散时间积分,采用七点差分格式离散空间导数,并采用恰当的出流边界条件,从而建立了非线性波传播的新型数值模拟模型.对均匀水深水域内波浪传播的数值模拟,说明在引入变换速度后进一步增大了模型的水深适用范围.对潜堤地形上波浪传播的数值模拟说明,在引入变换速度后进一步提高了模型的数值模拟精度.     

莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程岸线数值模拟以及模型的验证方

以乐东莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程为例,其完工1年后的岸线监测结果,表明需要进一步对人工沙滩后的海滩岸线演变进行研究分析。通过GENESIS岸线演变模型模拟人工沙滩后的岸线变化,并尝试采用3种方法对模型进行验证。经过验证后,对人工沙滩工程后1年、3年、5年岸线变化进行了模拟分析。研究结果表明:GENESIS岸线演变模型对于包围型(拦沙堤和离岸堤结合方式)人工沙滩工程是适用的。工程完工1年后,补沙岸线形成了侵淤变化的凹凸弯曲岸线,侵淤幅度不大,5年后侵淤幅度变缓,开始逐渐趋于平衡。据此,也为人工沙滩后期的养护、补沙防护工作起到重要的参考作用。     

莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程岸线数值模拟以及模型的验证方法

以乐东莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程为例,其完工1年后的岸线监测结果,表明需要进一步对人工沙滩后的海滩岸线演变进行研究分析。通过GENESIS岸线演变模型模拟人工沙滩后的岸线变化,并尝试采用3种方法对模型进行验证。经过验证后,对人工沙滩工程后1年、3年、5年岸线变化进行了模拟分析。研究结果表明:GENESIS岸线演变模型对于包围型(拦沙堤和离岸堤结合方式)人工沙滩工程是适用的。工程完工1年后,补沙岸线形成了侵淤变化的凹凸弯曲岸线,侵淤幅度不大,5年后侵淤幅度变缓,开始逐渐趋于平衡。据此,也为人工沙滩后期的养护、补沙防护工作起到重要的参考作用。     

分潮波模型多资料数值计算方法研究 Ⅱ.有限差分最小二乘方法

对含多资料的分潮波模型的超定问题进行探讨，建立一种有限差分—最小二乘方法，该方法使得岸边资料直接进入了计算方程，并保证岸界法向流速为零条件。通过对渤海的四大分潮的试算，证实本方法可行。     

分潮波模型多资料数值计算方法研究 Ⅲ.混合边值方法

将岸边划分为点、线两种类型边界，并相应给以观测潮位和法向流为零的不同边界条件，建立了ArakawaE网格中的分潮波方程的一种适定的数值计算方法，并对渤海四大分潮进行了试算。结果证明该方法在目前已知的这一类研究系列中是最为理想的方法。     

近破波作用下沉箱式防波堤运动特性的模型实验研究

对近破波作用下沉箱式防波堤的运动特性进行了模型实验研究。实验中测量了沉箱模型与基床的摩擦系数、基床刚度和阻尼系数;不同水位情况下作用于沉箱模型上的近破波波压力时程;近破波作用下沉箱模型的位移和转角响应时程等,并与数学模型计算结果进行了比较分析。实验结果表明,若沉箱的滑移力大于沉箱与基床间的摩擦力,在连续波浪作用下,沉箱将连续出现间歇式滑移运动,数学模型可较好地模拟这一运动过程。     

深水破碎波判据的研究──Ⅱ．一种风浪破碎判据的模式及实测结果分析

本文在讨论破碎波判据研究的基础上(文献[1]),根据前人的破碎波研究结果,以及海浪的随机性,建立了一个包含摩擦风速和波浪要素的破碎波判据计算模式,报告了在海上和实验室进行验证的实测结果.其特点是利用良好的现场观测条件和先进的实验设备,对破碎波进行了测量,首次通过划分破碎波的状态,合理地给出了破碎波判据的实测结果,并比较分析了其他几种波浪破碎判据的实测结果及使用范围.本文的计算风浪破碎判据的模式与外海实测结果比较接近,但与实验室测量结果相差较大.     

分潮波模型多资料数值计算方法研究 Ⅰ.岸边资料运动学外推的第一边值方法

对于含多资料三维分潮波模型建立了一种岸边资料运动学外推的潮波第一边值方法，并对渤海的四大原湖波进行试算。结果证实本方法可行，该方法使潮波方程既满足第一边值问题，充分利用岸边测站资料，又保证岸界法向流速为零条件，符合物理意义。并对复型病态矩阵的收敛问题提出了一种可行性处理。     

不规则波在孔隙介质礁坪上传播过程的波高和增水变化数值研究

采用$\sigma $坐标系统下以体积平均的雷诺时间平均方程作为控制方程的三维非静压模型,对随机波浪在带有孔隙介质的岛礁地形上的传播过程进行了模拟,重点分析了礁坪上方波高和增水的变化。通过与多个组次工况的物理模型实验数据进行对比,结果显示,本文模型能很好地模拟波浪在孔隙介质上传播演化的过程,与实验结果吻合程度很高。分析结果表明,相比于光滑底床,孔隙介质的存在造成破碎点附近波高平均下降12%,礁坪上方波高平均下降28%。对于平均水位,孔隙底床条件下的最大减水幅值减小了43%,同时礁坪上方增水幅值上升6%。另外,孔隙率在0.47～0.87范围内变化时,对礁坪上方平均水位的变化基本无影响。