潜堤上破碎波浪传播变形的数值模型及其验证

为模拟潜堤上破碎波浪传播时产生能量的耗散这一特性,在改进的具有四阶色散的Boussinesq水波方程中中入二阶紊动粘性项,建立了考虑波浪破碎的水波数学模型.在非交错网格下建立了有限差分数值模型,并利用三阶Adams-Bash forth格式预报、四阶Adams-Mouton格式校正对数值模型进行求解.通过数值试验,模拟...     

破碎波概率分析及实测结果

总结破碎波近年来的研究状况，从理论上对计算破碎波发生率进行分析。并利用先进的实验设备和良好的现场条件，从实验研究出发，在研究波浪破碎过程及其与环境参量的关系中，对破碎波发生率进行实际测量。利用不同的破碎波判据对破碎波发生率进行了计算、比较和分析，结果指出；利用不同的破碎波判据计算的破碎波发生率相差很大，甚至相差３～４倍。     

不同破碎波气液混合区发展特征及其运动特性研究

了解波浪破碎速度场的分布特性对于波浪破碎物理机制的研究极为重要,同时,对比研究不同类型破碎产生的气液混合区的演化特征有利于波浪白冠覆盖率模型的完善。在实验室水槽,生成了深水临界波、单次崩破波和单次卷破波,采用图像测速技术获取了波浪破碎图像、波面下水体和气液混合区速度场。结果表明,崩破波的水平向速度u和垂直向速度v在波峰前和波峰后的分布极为不对称,其水平向最大速度umax并不位于峰顶,而是在主导波峰前0.7$\eta_{\max} $处;卷破波的umax出现在波峰峰顶前端极小的区域内,且该区域与周围区域的速度梯度极大。崩破波和卷破波生成的气液混合区发展特征也存在差异：崩破波的umax值大、影响区域长、混合区厚度较小、各区域影响时间短;而卷破波的各项特征参数与崩破波形成对比。     

内孤立波破碎所致混合的实验研究

为定量分析内孤立波破碎的混合过程,本文在二维内波水槽中进行了两层流体第一模态内孤立波在斜坡上破碎的实验,运用粒子图像测速技术(PIV)测量内孤立波传播、破碎、反射过程的流场,计算涡度、湍动能和湍耗散率。结果表明不同振幅内波在不同角度斜坡上破碎时各个量的分布特征十分相似,各组实验各要素时间序列中均有两个峰值,分别发生于非线性增强和破碎时刻。得到破碎时湍耗散率与内孤立波振幅的关系为:较小振幅内波的湍耗散率与振幅呈2次关系,无因次振幅增大到0.9湍耗散率趋于不变;与斜坡角度的关系为:对于小振幅内波斜坡角度增大,破碎程度降低,耗散率减小;振幅较大时,存在一个角度使破碎程度最大。破碎引起的湍耗散率的量级在10–7到10–4m2/s3之间,比实测海洋中内孤立波传播界面和内潮遇地形破碎的湍耗散大1个量级。     

深水破碎波判据的研究：I.破碎波判据的研究概况及计算方法

本文总结了近百年来破碎波判据的研究状况，全面分析了深水波浪破碎的理论与实验研究结果，就深水破碎波判据的研究方法和适用性进行了广泛讨论。给出了各种波浪破碎判据的表达形式及其相互间的换算关系；总结了破碎波实例资料的处理方法。     

深水破碎波判据的研究──Ⅰ．破碎波判据的研究概况及计算方法

本文总结了近百年来破碎波判据的研究状况,全面分析了深水波浪破碎的理论与实验研究结果,就深水破碎波判据的研究方法和适用性进行了广泛讨论。给出了各种波浪破碎判据的表达形式及其相互间的换算关系;总结了破碎波实测资料的处理方法。     

长重力波运动与近岸过程研究综述

简要介绍了长重力波的概念和作用,概述了近岸长重力波的运动形式、类型、分布和波能变化,分析了近岸长重力波与泥沙运动、海岸侵蚀、近岸环流系统、海滩碎波带地貌形态和潮汐等的关系,提出了进一步研究的几点建议。     

不同破碎波对沙质海床作用的实验研究

破碎波对近海海岸地形以及海岸建筑物影响强烈,通过物理模型实验对孤立波、规则波作用下破碎带的床面形态以及孔隙水压力进行分析。破碎波冲击海床,破碎处床面上形成沙坝和沙坑,与规则波相比,孤立波破碎时对床面的冲刷更加剧烈,床面形成的沙坝和沙坑尺度更大,且土体内孔隙水压力幅值也较大。同时研究了波面变化对孔隙水压力的影响,发现波面变化历时曲线与孔隙水压力历时曲线相似,与孔隙水压力梯度历时曲线更为相似,说明波面变化更能反映海床内部孔隙水压力梯度的变化。通过探讨波浪与海床之间相互耦合作用,发现破碎带地形变化使得波浪出现不同破碎类型,分析得出卷破波比崩破波作用下孔隙水压力幅值大。     

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.     

可渗透海床单桩孤立波破碎波浪力数值研究

当波浪传播至近岸浅水区时易发生破碎,波浪破碎后水体直接拍击单桩结构,其波浪作用力显著增大,可能导致结构失稳破坏。首先建立包括斜坡海床的数值波浪水槽,并与已有研究进行对比验证。进而开展考虑斜坡海床可渗透性的孤立波数值模拟,分析孤立波传播与浅水化破碎特征,着重研究竖直单桩上破碎波浪力的特性,及其与单桩位置、海床渗透率的关联性。数值研究发现:对于低渗透率海床,随着单桩位置由深水向岸线位置变动,其所受波浪力先增后减,所受波浪力最大的桩体位置随海床渗透率增加而从波浪破碎点前方移动至破碎点后1D处,而在高渗透率海床上不同位置处桩体所受波浪力均较小;随海床渗透率等梯度增加,海床消波作用逐渐增强,波浪破碎进程延缓,波浪破碎点向岸线方向加速移动,单桩上破碎波浪力呈整体下降趋势,但可能因波浪破碎点的位置变动导致部分位置桩体所受波浪力异常增大。     

Simulation of the ocean surface mixed layer under the wave breaking

A one-dimensional mixed-layer model, including a Mellor-Yamada level 2.5 turbulence closure scheme, was implemented to investigate the dynamical and thermal structures of the ocean surface mixed layer in the northern South China Sea. The turbulent kinetic energy released through wave breaking was incorporated into the model as a source of energy at the ocean surface, and the influence of the breaking waves on the mixed layer was studied. The numerical simulations show that the simulated SST is overestimated in summer without the breaking waves. However, the cooler SST is simulated when the effect of the breaking waves is considered, the corresponding discrepancy with the observed data decreases up to 20% and the MLD calculated averagely deepens 3.8 m. Owing to the wave-enhanced turbulence mixing in the summertime, the stratification at the bottom of the mixed layer was modified and the temperature gradient spread throughout the whole thermocline compared with the concentrated distribution without wave breaking.     

深水波浪破碎时波浪演化特征实验研究

采用能量聚焦的方式产生深水破碎波,并通过增加输入波陡使发生不同强度的波浪破碎现象。实验中,沿水槽中心位置布置22个浪高仪,分析波浪传播过程中的波面演化特征。对水槽不同位置处波面数据进行波能谱与小波能谱分析,发现在聚焦波传播过程中,低频能量部分保持相对稳定,而一次谐波高频部分先逐渐拓宽,经过破碎区域后又逐渐恢复。能量在高频部分有所损失,这种现象在破碎时更加明显,且破碎强度越大,越显著。波浪未破碎时,由于波浪传播过程中高频部分拓宽,导致聚焦前后特征频率略有增加,特征群速和特征周期略有减小;当波浪破碎时,由于破碎导致的能量损失比较明显,且卷破时更加明显,导致破碎后特征频率减小,特征群速和特征周期增大。     

规则波在浅水中运动及破碎的数值计算

利用一维Boussinesq方程描述了在浅水中的波浪运动以及破碎情况。在方程中引入了表面翻滚的概念，认为翻滚的水体是以波速运动的，翻滚的作用表现在水平速度的垂直分布上，产生了附加迁移动量项。通过对Airy波在浅水中运动以及破碎情况的研究，得出的一些结论与Schaeffer和合田的成果吻合良好。     

Rainfall effect on wind waves and the turbulence beneath air-sea interface

Rainfall effects on wind waves and turbulence are investigated through the laboratory experiments in a large wind-wave tank. It is found that the wind waves are damped as a whole at low wind speeds, but are enhanced at high wind speeds. This dual effect of rain on the wind waves increases with the increase of rain rate, while the influence of rainfall-area length is not observable. At the low wind speed, the corresponding turbulence in terms of the turbulent kinetic energy （TKE） dissipation rate is significantly enhanced by rain- fall as the waves are damped severely. At the high wind speed, the augment of the TKE dissipation rate is suppressed while the wind waves are enhanced simultaneously. In the field, however, rainfall usually hin- ders the development of waves. In order to explain this contradiction of rainfall effect on waves, a possibility about energy transfer from turbulence to waves in case of the spectral peak of waves overlapping the inertial subrange of turbulence is assumed. It can be applied to interpret the damping phenomenon of gas trans- fer velocity in the laboratory experiments, and the variation of the TKE dissipation rates near sea surface compared with the law of wall.     

可控深水破碎波的实验室生成方法研究

实验室一般采用波浪聚焦方法生成深水破碎波,通过各组分波浪的波幅叠加生成一个波高显著增大的大波,使其波陡超过极限波陡发生破碎。利用该方法生成深水破碎波浪的破碎次数通常并不唯一,导致波浪破碎后的流场特征不明显;造波参数不易于选取导致研究工况的设置难度大,直接影响深水破碎精细化实验的效果和效率。本文采用聚焦波理论计算波面,并利用上跨零点法定义的波高和波长计算理论波陡,结合物理模型实验统计波浪沿程破碎次数与剧烈程度,研究以JONSWAP谱为造波输入谱型时,聚焦波幅、谱峰频率、频宽等造波输入参数对于波浪破碎情况的影响,从而建立深水波浪破碎次数与造波输入参数之间的近似定量关系,为实验造波参数的选取提供参考,提高实验效率。     

波浪破碎下湍流混合的实验研究

波浪破碎过程产生的湍流动量和能量垂向输运对于加快海洋上混合层中垂向混合具有显著效果.采用二维实验室水槽中对波浪破碎过程进行模拟.对采集的波浪振幅时间序列采用希尔伯特变换定位破碎波位置,波浪的破碎率随有效波高的增加而增大,波浪谱分析得到的波浪基本周期与有效周期结果相似.实验中采用粒子图像测速技术(particle ima...     

Determining the onset and strength of unforced wave breaking in a numerical wave tank

A numerical wave tank is used to investigate the onset and strength of unforced wave breaking, and the waves have three types of initial spectra： constant amplitude spectrum, constant steepness spectrum and Pierson-Moscowitz spectrum. Numerical tests are performed to validate the model results. Then, the onset of wave breaking is discussed with geometric, kinematic, and dynamic breaking criteria. The strength of wave breaking, which is always characterized by the fractional energy loss and breaking strength coefficient, is studied for different spectra. The results show how the energy growth rate is better than the initial wave steepness on estimating the fractional energy losses as well as breaking strength coefficient.     

基于高阶边界元的三维数值波浪港池--波浪破碎的模拟

在势流理论的框架内,采用高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日法,实现了对三维波浪破碎过程的数值模拟.数值模型使用可调节时间步长的基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格郎日时间步进来求解自由表面的演化过程.在所使用的边界元方法中,采用16节点三次滑移四边形单元来表示,这种单元在单元内具有高阶的精度同时在单元之间具有良好的连续性.给出了孤立波的传播和周期性非线性波浪沿缓坡传播的计算结果,表明数值模型具有良好的稳定性.