非结构化网格下椭圆型缓坡方程的数值求解

椭圆型缓坡方程是一种用线性波浪理论研究近岸波浪传播变形的有效波浪数学模型。非结构化网格下的有限容积法不仅对复杂边界的适应性好,还能保证迭代求解过程的守恒性。建立了非结构化网格下的椭圆型缓坡方程数值模型。在模型中采用非结构化网格下的有限容积法对椭圆型缓坡方程进行了数值离散,结合GPBiCG(m,n)算法求解离散方程。数值计算结果表明,该数值模型可有效地用于模拟近岸缓坡区域复杂边界下波浪的传播。     

斜坡平台波浪破碎数值模拟

波浪在斜坡地形上破碎,破波后稳定波高多采用物理模型试验方法进行研究,利用近岸波浪传播变形的抛物型缓坡方程和波能流平衡方程,导出了适用于斜坡上波浪破碎的数值模拟方法。首先根据波能流平衡方程和缓坡方程基本型式分析波浪在破波带内的波能变化和衰减率,推导了波浪传播模型中波能衰减因子和破波能量流衰减因子之间的关系;其次,利用陡坡地形上的高阶抛物型缓坡方程建立了波浪传播和波浪破碎数学模型;最后,根据物理模型试验实测数据对数值模拟的效果进行验证。数值计算与试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟斜坡地形的波浪传播波高变化。     

关于波浪缓坡方程的研究

缓坡方程（ｍｉｌｄ－ｓｌｏｐｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ）是基于线性波浪理论研究波浪在近岸传播变形（折射绕射）的基础和被广泛应用的方程。从缓坡方程问世到现在,人们对它进行了大量的理论和应用研究,包括求解该方法、简化近似和改进。本文对有关波浪缓坡方程的研究成果进行了较为系统的归纳总结和评述,以期对本学科的发展起到一定的引导和促进作用。     

基于抛物型缓坡方程模拟近岸植被区波浪传播

植被对波浪传播运动有重要影响。考虑近岸波浪在植被区传播中的折射、绕射、破碎及植被引起的波能耗损效应,基于抛物型缓坡方程建立了模拟近岸植被区波浪传播的数学模型,对模型进行了数值模拟验证,采用数值模拟试验分析了植被对波浪传播的影响。数值模拟结果表明,波浪在近岸植被区传播时,随着植被密度和植被高度的增加,波浪传播中的波高衰减增大,波能耗损增加;不同周期波浪在植被区传播中的波高衰减过程也明显不同。     

基于扩展型双曲缓坡方程波浪传播模型

在时域缓坡方程中,引入非线性修正项、高阶地形影响项以及能量耗散项,推导得出扩展型双曲缓坡方程。基于该方程,利用ADI格式建立波浪传播数学模型,并应用于椭圆形浅滩、Bragg反射正弦沙涟地形以及斜坡地形的波浪传播计算,计算结果与试验数据均吻合良好,表明该模型能够对近岸波浪的折射、绕射、反射、浅水变形、弱非线性、陡变地形影响以及破碎进行较好地模拟。     

考虑风能输入的抛物型缓坡方程

在Radder和Kirby发展的波浪折射绕射缓坡方程抛物型模型基础上,对这种模型进行了改进,改进后的模型除可以考虑波浪传播过程中的底摩阻损耗、非线性作用外,加入了风能输入对波浪传播的影响。基于风能输入项的波浪模型数值计算结果表明,在纯风浪情况下的计算结果与传统的风浪计算方法结果一致,在波浪传播过程中由于风的作用,将导致波高比无风作用下计算的波高大。     

波浪谱形对不规则波数值模拟的影响

通过数值模拟分析了波浪谱形对不规则波浪数值模拟结果的影响.采用不同参数的JONSWAP谱模拟入射波要素,基于抛物型缓坡方程模拟不规则波浪的传播,分析了波浪谱形状对波浪数值模拟结果的影响.结果表明,采用抛物型缓坡方程模拟不规则波浪时,入射波浪谱形对模拟结果影响不明显;但由于模型中非线性项的影响,采用不规则波模拟的波高分布和采用规则波模拟的结果略有差别.     

基于Boussinesq方程近岸波浪演变的数值研究

首先对目前描述近岸波浪传播变形的数学模型进行了回顾与总结;对不同数学模型的特点、适用范围和发展情况进行了阐述与对比。应用基于Boussinesq方程的Coulwave模式针对几个经典实验地形进行了数值实验,数值结果和实验实测数据吻合较好。此外,分别采用不同的近岸波浪模型模拟了某渔港附近波浪的传播变形,结果表明:当考虑波浪的折射、绕射、反射联合作用时,Coulwave模式计算结果明显较缓坡方程及SWAN模型计算结果更加合理。     

长江口水域波浪数值计算

利用高阶非线性抛物型缓坡方程对长江口水域的波浪传播变形作了推算,依据测站的资料分析数值模式中的底摩阻因子和风能输入因子对波浪传播的影响,进而确定其参数。针对不同导堤结构型式,分析了潜堤的波浪传递系数,最后对长江口二期整治工程完成后水域的波浪场作了推算。     

考虑边界波浪方向的缓坡方程自适应求解模型

缓坡方程是描述近岸波浪运动较好的数学模型之一。在发展的自适应有限元求解缓坡方程的基础上,采用迭代求解的方法,确定波浪相对于边界的入射方向,从而对边界条件进行改进,建立了求解缓坡方程的数值计算模型。典型算例表明,考虑波浪相对于边界的入射角度后,模型可以更好地模拟吸收波浪边界,同时对多向波对双突堤的绕射进行了模拟研究,与试验结果比较表明,所建立的数值计算模型能够适用于多向不规则波传播过程的模拟研究。     

Wave shoaling and diffraction in current over a mild-slope

The wave relative frequency in the coordinate system moving with current and the angle between the direction of wave propagation and that of current are computed based on the wave dispersion relation. The current field is computed by solving the depth averaged shallow water equations. The wave field is computed by solving the mildslope equation which has taken the current‘s effect into account. A numerical model is established using a finite element method for simulating the wave shoaling and diffraction in current over a mild-slope, and the numerical results are reasonable to compare with the experimental data.     

抛物型缓坡方程的变分及数值模拟

对线性水波的折射一绕射问题应用变分原理,对非等深、具有缓坡和不连续的底被导出了一种修改的抛物型缓坡方程近似模型,可预测三维地形上波浪的折射一绕射。同抛物型缓坡方程的线性方程进行了对比。通过数值模拟方法进行数值求解,表明本方法可用于地形条件下的波浪折射一绕射问题。     

Tide simulation using the mild-slope equation with Coriolis force and bottom friction

Since the mild-slope equation was derived by Berkhoff (1972),the researchers considered various mechanism to simplify and improve the equation,which has been widely used for coastal wave field calculation.Recently,some scholars applied the mild-slope equation in simulating the tidal motion,which proves that the equation is capable to calculate the tide in actual terrain.But in their studies,they made a lot of simplifications,and did not consider the effects of Coriolis force and bottom friction on tidal wave.In this paper,the first-order linear mild-slope equations are deduced from Kirby mild-slope equation including wave and current interaction.Then,referring to the method of wave equations’ modification,the Coriolis force and bottom friction term are considered,and the effects of which have been performed with the radial sand ridges topography.Finally,the results show that the modified mild-slope equation can be used to simulate tidal motion,and the calculations agree well with the measurements,thus the applicability and validity of the mild-slope equation on tidal simulation are further proved.     

A Modified Form of Mild-Slope Equation with Weakly Nonlinear Effect

Nonlinear effect is of importance to waves propagating from deep water to shallow water.Thenon-linearity of waves is widely discussed due to its high precision in application.But there are still someproblems in dealing with the nonlinear waves in practice.In this paper,a modified form of mild-slope equa-tion with weakly nonlinear effect is derived by use of the nonlinear dispersion relation and the steady mild-slope equation containing energy dissipation.The modified form of mild-slope equation is convenient to solvenonlinear effect of waves.The model is tested against the laboratory measurement for the case of a submergedelliptical shoal on a slope beach given by Berkhoff et al,The present numerical results are also comparedwith those obtained through linear wave theory.Better agreement is obtained as the modified mild-slope e-quation is employed.And the modified mild-slope equation can reasonably simulate the weakly nonlinear ef-fect of wave propagation from deep water to coast.     

缓坡方程与Boussinesq方程特征的分析比较

在对缓坡方程和Boussinesq方程研究的基础上，从方程的基本形式和特征以及频散关系等方面对二者进行了分析和比较，明确了线性缓坡方程在频散性上要好于非线性Boussinesq方程。此外还对Boussinesq型模型与抛物型缓坡方程模型在Berkhoff椭圆地形的计算结果及其精度也进行比较，计算结果与实测数据吻合很好，说明这两种模型都可以用于模拟近岸波浪传播过程所发生的各种变形。但由于各自控制方程对各物理过程的处理不同，因此各有特征。     

近岸沿岸流及污染物运动的数值模拟

基于双曲型缓坡方程和近岸浅水方程对近岸波浪斜向入射破碎所生成的沿岸流及污染物在沿岸波流作用下的运动进行了数值模拟,并对数值模拟结果进行了验证分析。数值模拟结果表明,在相近工况参数下,随着入射波高的增大,沿岸流流速和平均水面升高值均明显增大;随着岸坡坡度的增加,沿岸流流速和平均水面升高值明显增大;随着入射波浪周期的增大,平均水面升高值明显增大。在沿岸缓坡区域,由斜向入射波浪破碎所产生的沿岸流对污染物的运动起着不可忽略的影响。     

结合抛物型缓坡方程计算波浪辐射应力

将波浪辐射应力与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来,提出了一种计算辐射应力的新方法,并用有限差分法对控制方程进行了数值求解。数值结果表明这种方法精度高、编程简单、求解快速,可用于实际大区域波浪辐射应力的计算。     

结合椭圆型缓坡方程模拟近岸波流场

波浪向近岸传播的过程中,由波浪破碎效应所产生的近岸波流场是近岸海域关键的水动力学因素之一.结合近岸波浪场的椭圆型缓坡方程和近岸波流场数学模型对近岸波浪场及由斜向入射波浪破碎后所形成的近岸波流场进行了数值模拟.计算中考虑到波浪向近岸传播中由于波浪的折射、绕射、反射等效应使局部复杂区域波向不易确定,采用结合椭圆型缓坡方程所给出的波浪辐射应力公式来计算波浪产生的辐射应力,在此基础上耦合椭圆型缓坡方程和近岸波流场数学模型对近岸波流场进行数值模拟,从而使模型综合考虑了波浪的折射、绕射、反射等效应且避免了对波向角的直接求解,可以应用于相对较复杂区域的近岸波流场模拟.