基于非静压模型的波浪破碎模拟

波浪破碎是海岸工程所关注的关键水动力学问题之一,而波浪破碎的数值模拟技术的研究方兴未艾。高效的浅水方程基于静压假定,而通过引入动压项建立的完全非静压模型,可成功应用于色散水波的模拟。自由表面的捕捉采用的垂向坐标变换技术,较之VOF（Volume of Fluid）模型,计算效率较高。但垂向坐标变换不能模拟大曲率自由表面变形,即波浪破碎过程。对于破碎波的模拟,一种高效的模式分裂法应用至非静压模型,即在波浪破碎局部水域将模型分裂为静压模型和非静压模型,破碎波波峰附近退化至静压模型,并持续至波浪破碎结束再恢复为动压模型。通过典型算例,验证了模式分裂法的适用性及对于波浪破碎过程的模拟精度,鉴于模式分裂法对于波浪破碎过程的模拟未引入新的概化模型,计算效率较高,可应用于大尺度的海岸带波浪的变形、破碎及越浪的数值模拟。     

一种改进的近岸波浪破碎数值模型

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎.模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟.岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算.用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果.紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡.     

波生沿岸流数值模拟

为了更好地研究近岸海域波生沿岸流,建立了基于高阶Boussinesq水波方程的波生沿岸流时域数值模型。控制方程在中等水深范围内具有较好的色散性和变浅作用性能,同时具有二阶完全非线性特征,适合描述近岸区域波浪强非线性运动。通过采用松弛造波方法实现了非线性波浪的无反射入射,采用周期性侧边界条件模拟开敞边界。通过数值试验,讨论了模型中主要参数对数值结果的影响。利用率定后的参数模拟了均匀坡度海岸上产生的沿岸流,通过和实验数据的对比验证了模型的准确性和适用性。利用模型数值模拟了不同波浪入射条件(包括周期、波高和波浪入射角度)对波生沿岸流的影响。     

扩展型Boussinesq水波方程的混合求解格式

为高效求解扩展型Boussinesq水波方程,建立了基于有限差分和有限体积方法的混合数值格式。将一维控制方程写为守恒形式,方程中通量部分采用有限体积方法求解,剩余部分采用有限差分方法求解。其中,有限体积方法采用Godunov类高分辨率格式,并结合HLL(Harten-Lax and van Leer)式黎曼问题近似解求界面数值通量,黎曼问题界面左右变量通过高精度状态插值方法(MUSCL)构筑。有限差分方法则采用具有二阶精度的中心差分公式进行。采用具有TVD(Total Variation Diminishing)性质的三阶龙格-库塔多步积分法进行时间积分。对数值模式进行了验证,数值结果同解析解或实验数据吻合良好。     

完全非线性聚焦波浪的数值模拟

利用高阶边界元方法求解拉普拉斯方程,建立了模拟完全非线性聚焦波的时域数值模型,其中追踪流体自由表面的方法为满足完全非线性自由水面条件的半混合欧拉-拉格朗日方法,运用四阶Runga-Kutta方法计算每一时间步新的波面高度和速度势,同时通过入射边界给定速度的二阶Stokes解析解产生波浪,并应用镜像格林函数消除水槽两个侧面和底面上的积分。对不同波陡的聚焦波群在水槽中开展了物理模型实验,并把试验结果和数值结果进行了对比,两者吻合得很好,然后对非线性条件下聚焦波的特点进行了研究。     

潜堤附近波浪场精细模拟的PLIC-VOF模型

采用PLIC-VOF追踪自由面,利用无反射造波边界条件数值造波,结合有限差分方法离散求解潜堤附近水域的立面二维N-S方程,得到潜堤附近波浪场。对两种典型潜堤结构附近的波浪场进行了数值计算并与模型实验结果作了比较。比较结果表明,基于PLIC-VOF的数值方法能够有效地追踪波浪自由面并得到潜堤附近精细的波浪场。     

波浪的非线性频散关系

在概括和总结现有非线性频散关系的基础上,给出了非线性频散关系的通式形式及其显式表达式。通过与原频散关系的比较可知显式形式具有很高的精度,与隐式形式吻合很好。利用频散关系的显式形式,结合含非线性项的缓坡方程,得到考虑非线性弥散影响的波浪变形模型。模型中对采用非线性频散关系和修正的非线性频散关系的计算结果进行了比较。结果表明,用新的频散关系的显式表达式得到的模型更加精确、合理。     

缓坡地形上非线性波浪变形的并行计算

基于椭圆型缓坡方程和消息传递接口机制,提出了缓坡地形上非线性波浪变形的一种并行数值模拟方法,并在微机群集并行系统上进行了数值实现.对一种典型缓坡地形上的非线性波浪传播变形进行了数值模拟,数值结果与实验数据的比较表明,在椭圆型缓坡方程中应用非线性波色散关系可有效考虑波浪的非线性效应,同时从获得的并行效率和并行加速比来看,并行数值方法可有效提高数值模拟效率.     

基于拟柱坐标系的2.5-D声波方程数值模拟

2.5-D 拟柱坐标法是一种新兴的2.5-D 问题的处理方法,该方法最大的优点在于拓宽常规柱坐标法数值模拟的应用范围,能够处理非轴对称模型,而且计算简便,尤其适宜解决大尺度地震勘探耗时多的难题.笔者发展了基于拟柱坐标系采用交错网格高阶有限差分法求解2.5-D拟柱坐标声波方程的数值模拟算法,并分别通过简单的单倾斜界面模型和较复杂的非轴对称模型的数值实例验证该方法的正确性和可行性.     

高阶有限差分法管波传播数值模拟

为正确认识流体充填钻孔中管波的传播规律,首先给出均匀各向同性介质中包含流体充填钻孔条件下的弹性波动力学方程和二阶速度-应力公式及差分格式的稳定性条件和边界条件;然后利用高阶交错网格有限差分法,结合典型模型,模拟了不同时刻管波的传播快照和复杂层状介质中管波的合成地震记录,并与实际管波地震记录进行了对比。结果表明:在地层分界面、溶洞的边界等波阻抗差异界面处,管波都会产生反射;反射管波的振幅、频率特征受界面两侧的岩石物理性质差异的影响;在理论合成记录中,反射管波与直达管波同相轴的交点与理论模型中地层分界面或异常体的边界一致。     

基于BISQ模型的各向同性孔隙介质弹性波三维交错网格高阶有限差分数值模拟

从BISQ模型弹性波的本构方程和运动方程出发，推导出了基于BISQ模型的各向同性孔隙介质弹性波三维高阶交错网格有限差分算法，进行了数值模拟，在低频下能看到明显的快纵波、快横波和微弱慢纵波，在高频情况下可以看到明显的快纵波、快横波、慢纵波和慢横波。在三维情况下对比了xoz、xoy、yoz平面内的波场切片，并对平行xoz平面，不同y值处的波场切片进行了对比，结果证明三维数值模拟可以从不同角度更好地反映波场的传播特性。     

高阶交错网格有限差分弹性波场模拟的精度分析

交错网格波场数值模拟是目前地震正演中广泛使用的方法,为对比分析不同阶数的差分格式下产生的计算效率和精度差异,重新推导了弹性波方程的4种时间4阶、空间2N阶的差分公式及系数,并计算了他们的稳定性条件。利用这4种差分格式进行弹性波场数值模拟,对比分析了波场快照、合成地震记录及CPU时间。结果表明：时间4阶、空间6+6阶精度的交错网格有限差分方法在进行地震波场数值模拟时具有较高的计算精度和计算效率。     

交错网格任意阶导数有限差分格式及差分系数推导

交错网格有限差分算法以其高效、精确、实用等优点在地震波数值模拟中得到广泛应用。目前交错网格有限差分的精度已达到时间4阶、空间2N阶;然而在求空间三次导数时,差分格式实际上并未达到所谓的2N阶精度,而是采用了低阶的差分格式及差分系数,这样有利于提高大尺度空间正演时的计算效率;但从计算精度的角度考虑,有必要推导出准确的满足2N阶精度的交错网格有限差分格式及差分系数,以得到更高精度的正演结果。笔者利用Taylor公式展开首次推导出了可导函数任意次导数的任意偶数阶精度的差分近似式及相应的差分系数,从而完善了常规高精度交错网格有限差分算法。采用新推导的交错网格有限差分格式得到的正演波形与解析解进行了对比,证明了新推导的差分格式的正确性,并与常规差分格式的正演波形进行了比较,结果显示,新推导出的交错网格有限差分格式模拟结果稳定性好,精度更高。     

起伏地表二维瑞雷面波正演模拟及波场分析

采用高精度交错网格有限差分法,建立了在起伏地表条件下瑞雷面波数值模拟的自由边界条件,通过对倾斜二层模型模拟的结果与解析解对比,二者完全一致,由此证明了起伏地表下瑞雷面波数值模拟的正确性。在此基础之上,模拟并分析了小凸起与小凹陷模型条件下,瑞雷面波的波场传播特征。通过分析得出瑞雷面波在这二种地形传播时,都存在反射、波型转换,以及能量再分配。因此,在起伏地表条件下,利用瑞雷面波进行勘探时要考虑起伏地表对瑞雷面波波场的影响。     

复合坡度珊瑚礁地形上波浪破碎的试验研究

通过波浪水槽试验,研究了珊瑚礁地形上规则波的破碎特征,包括破碎类型、破碎波高、破碎位置以及破碎带宽度。试验在带礁缘的复合坡度断面下进行,测试了两种水位下系列波高和波周期相组合的工况。试验研究了波浪破碎类型的区分标准,评估了已有四类破碎指标在复合坡度珊瑚礁地形上的适用性,并给出了描述破碎位置和破碎带宽度的经验公式。结果表明:礁边水深深水波高比可较好地区分波浪的破碎类型;四类破碎指标关系式中以破碎波高深水波高比之于深水波陡的相关性为最优;深水波高和礁边水深是影响破碎位置和破碎带宽度的主要因素,随着深水波高礁边水深比的增大,量纲一破碎位置（破碎点与礁边的距离和礁边处浅水波长的比值）逐渐减小,量纲一破碎带宽度（破碎带宽度和礁边浅水波长的比值）逐渐增大。     

Numerical Simulation of the 1969 Portuguese Tsunami by a Finite Element Method

On 28 February 1969, the coasts of Portugal, Spain and Morocco were affected by sea waves generated by a submarine earthquake (Ms = 7.3) with its epicenter located off Portugal. The propagation of this tsunami has been simulated by a finite element numerical model solving the Boussinesq equations. These equations have been discretized using the finite element Galerkin method and a Crank–Nicholson scheme in time. The model is validated by investigating the propagation of a solitary wave over a flat bottom. The grid sizes for the 1969 event have been determined by one-dimensional tests offshore and in shallow water regions. The two-dimensional simulation of the 1969 tsunami is carried out using the hydraulic source calculated from the geophysical model of Okada and seismic parameters of Fukao. The modeled waves are compared with the recorded ones with respect to travel times, maximum amplitudes and periods of the signal. The comparison between Boussinesq and shallow-water models shows that the effects of frequency dispersion are minor. Good agreement is found for most of the studied gauges.     

破碎波条件下直立堤平均越浪量试验研究

目前破碎波直立堤平均越浪量的估算值和影响因素的作用方面均存在显著差异,只有通过独立的试验校核才能使工程对这些成果的选择具有可靠依据。通过开展随机波物理模型试验,对目前代表性成果的越浪量估算值进行了系统校核,分析影响因素的作用规律以及产生估算差异的原因。结果表明:对周期和底坡坡度等主要影响因素的不同处理方式是导致现有成果间产生显著估算差异的重要原因;在现有成果中,EurOtop的估算结果普遍存在明显高估现象,而Goda（2009）对影响因素的处理方式和估算结果与本次试验的结论在总体上最为相符。     

综采工作面随采地震的采煤机震源模拟

为了分析以采煤机作为震源接收到的随采地震数据的波场特征,从正演模拟的角度出发,通过将采煤机截割方式及滚筒的受力情况转换为震源力函数的形式,以不同时间不同位置的荷载分布作为震源对波动方程进行加载,采用高阶交错网格有限差分法对波动方程进行求解,得到正演单炮数据。最终,数值模拟得到的随采地震数据显示出,采煤机震源激发的波场中,横波能量占据主导地位,纵波能量较小,且在高频数据中,y分量上有明显的槽波存在,其极化特征显示出该槽波为Love型槽波。最终,模拟数据与实际采集的y分量数据对比表明,二者在波场成分及分布方面具有较高的相似性。