高阶Boussinesq类方程数值求解及试验验证

基于二阶非线性与色散的Boussinesq类方程,采用改善的Crank-Nicolson方法对不同情况下淹没潜堤上的波浪传播进行数值模拟。高阶方程与传统、改进型的Boussinesq方程计算结果进行比较,高阶方程的计算结果与实验吻合得更好。表明该高阶Boussinesq方程能够精确预测变水深、强非线性的复杂波况,可用于实际近岸海域波浪问题的计算。     

适合中等水流的Boussinesq方程

推导了含量阶为O(ε1/2)的瞬变非均匀流的Boussinesq水波方程,讨论了该量阶水流对流场速度和压力分布的影响,采用了Crank-Nicolson格式的预估-校正有限差分法对该方程进行了数值求解.把数值结果与无水流情况的实验结果进行了对比,验证了该方程和数值计算方法的有效性,与经典的Boussinesq方程和含量阶为O(1)的瞬变非均匀流的Boussinesq水波方程的计算结果进行了比较,考察了该方程的适用范围.     

含强水流高阶Boussinesq水波方程

采用摄动法并利用已建立的纯波情况下高阶Boussinesq方程,建立了可以考虑强水流与波浪相互作用的高阶Boussinesq方程.水流速度与波浪群速具有相同量级,且随时间和空间的变化尺度远大于波浪周期和波长.方程色散性近似到[4/4]阶Pade展开,对浅水情况方程可以是完全非线性的,可适用于波流相互作用的强非线性问题.通过将水流存在时波长和波幅的结果与一阶斯托克斯波结果对比,讨论了具有不同近似程度的3种含波流相互作用的Boussinesq方程的适用性.     

河口波流相互作用的数学模型

基于Navier-Stokes方程，考虑波流相互作用，本文提出了河水水动力数学模型，本模型考虑：（1）河水径流、相对波浪和潮流，可作为时不变的流动问题，一般作为潮流计算的部分边界条件；（2）波浪，主要是涌，其周期相对潮流可小几个数量阶，波长50－250m；（3）潮流，周期性的，时间尺度是半天到1d，波长以几十公里计；（4）地形是缓变的，其特征尺度远大于波浪长度。     

缓坡方程与Boussinesq方程的差异性比较

本文对在缓变水深条件下缓坡方程和Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程各种不甘落后 差异进行了比较。明确了线性缓坡方程的频散性上，要好于非线性Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程。而Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程可讨论非线性的波与波相互作用等问题，而缓坡方程则不能。对Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程在不规则波计算上的局限性问题本文也进行了讨论，指出对于不规则波而言分解频率的数量和对高频波所产生的混淆误差的抑制是Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程能     

Boussinesq方程波浪数学模型的应用

介绍了Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ 方程的推导过程和发展过程,基于深水和缓变地形的色散关系,建立了Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程的波浪数学模型。该模型可以产生波浪,模拟吸收边界和不同反射率的反射边界。该模型可用于研究深水和浅水地区波浪的浅水变形、折射、绕射和反射     

用含高色散性Boussinesq方程模拟潜堤上的波浪变形

基于一种高阶Boussiensq方程(刘忠波等,2004),采用预报-校正格式的有限差分法对该方程进行了数值离散,建立了数值模型。针对动量方程中三阶项的差分形式,采用了迎风格式和五点格式。通过数值模拟常水深下不同周期波浪传播变形,指出迎风格式在计算小周期波浪时存在的问题。为进一步验证数值模型的适用性,模拟了淹没潜堤上的传播变形。从数值结果与实验值的对比结果上看,该数值模型能较好地模拟波浪变形,可用于模拟实际中的波浪场问题。     

基于改进Boussinesq方程三角形网格有限元模型

基于改进型Boussinesq方程,建立适用于三角形网格的有限元模型。通过将边界点的笛卡尔坐标转化为法向、切向坐标,对与坐标轴斜交的反射边界进行处理,模型时间积分采用Adams-Bashforth-Moulton预报-校正法。一些经典算例的数值模拟结果表明,数值模型结果与其他数值或试验结果吻合较好,可以用于模拟不规则区域内波浪传播情况,而且通过三角形网格的应用,可有效处理不规则边界问题。     

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。     

适合复杂地形的高阶Boussinesq水波方程

针对海底坡度较大(量阶为O(1))或海底曲率较大的复杂地形,建立了一个新型高阶Boussinesq水波方程.该方程可用于研究海底存在若干相互平行沙坝引起的Bragg反射问题.方程的水平速度沿水深的分布为四次多项式,色散性和变浅作用性能的精度比经典Boussinesq方程高了一阶.方程在浅水水域可以是完全非线性的.     

A new form of generalized Boussinesq equations for varying water depth

A new set of equations of motion for wave propagation in water with varying depth is derived in this study. The equations expressed by the velocity potentials and the wave surface elevations include first-order non-linearity of waves and have the same dispersion characteristic to the extended Boussinesq equations. Compared to the extended Boussinesq equations, the equations have only two unknown scalars and do not contain spatial derivatives with an order higher than 2. The wave equations are solved by a finite element method. Fourth-order predictor–corrector method is applied in the time integration and a damping layer is applied at the open boundary for absorbing the outgoing waves. The model is applied to several examples of wave propagation in variable water depth. The computational results are compared with experimental data and other numerical results available in literature. The comparison demonstrates that the new form of the equations is capable of calculating wave transformation from relative deep water to shallow water.     

Numerical investigation of the effect of current on wave focusing

In the present study,a numerical wave tank is developed to simulate the nonlinear wave-current interactions based on High Order Spectral(HOS) method.The influences of current on wave focusing are investigated by use of numerical model.The current is assumed to be constant in space.Focused waves with different amplitudes and frequency spectra are simulated with and without current.The focused wave characteristics,such as surface elevation,the maximum crest and frequency spectrum,with different current are compared.The results show that the opposing current increases the maximum crest and the energy transform during wave focusing process,and vice versa for the following current.     

新型Boussinesq方程的进一步改善

基于传统的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程,通过速度变换及在方程中加入高阶项的方法,给出了进一步改善线性色散关系及变浅作用系数的方程,其线性色散关系及变浅作用系数的精度均为Ｏ（β８）（β＝ｈ０／Ｌ,Ｌ为特征波长,ｈ０为特征水深）．     

近岸流对波浪传播影响的数值分析

使用近岸波浪模型SWAN计算存在沿岸流和离岸流时的近岸波浪传播。先设离岸流u=0m/s,模拟均匀、非均匀沿岸流的流速和梯度对波高传播的影响;再设沿岸流v=0.5m/s,模拟均匀、非均匀离岸流的流速和梯度对波能高传播的影响。从模拟中得到,近岸波浪传播受沿岸流、离岸流的流速和梯度影响时,波高的变化规律。     

恒定流对潜堤波浪反射系数影响研究

为研究恒定均匀流对直立潜堤波浪反射系数的影响,采用了高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日时间步进方法更新瞬时自由水面,运用基于二次形状函数的网格重分方案结合四阶龙格库塔方法更新时间积分,并运用两点法得到淹没潜体前的反射系数。将数值模拟得到的波面数据与物理模型试验结果进行对比,两者吻合良好。通过数值模拟研究给出了入射波周期、水流流速、潜堤相对宽度和相对淹没深度对反射系数的影响。结果表明,水流流速和潜堤相对淹没深度对反射系数影响较大,潜堤相对宽度的影响相对较小;水流的存在会使入射波周期等参数对反射系数的影响程度发生改变,在实际工程设计时应考虑水流对潜堤防浪效果的影响。     

基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程二维波浪传播数值模型

建立基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程的二维波浪传播数值模型。采用Kennedy等提出的涡粘方法模拟波浪破碎。在矩形网格上对控制方程进行离散,采用高精度的数值格式对离散方程进行数值求解。对规则波在具有三维特征地形上的传播过程进行了数值模拟,通过数值模拟结果与实验结果的对比,对所建立的波浪传播模型进行了验证。同时,为了考察非线性对波浪传播的影响,给出和上述模型具有同阶色散性、变浅作用性能但仅具有二阶完全非线性特征的波浪模型的数值结果。通过对比两个模型的数值结果以及实验数据,讨论非线性在波浪传播过程中的作用。研究结果表明,所建立的Boussinesq水波方程在深水范围内不但具有较精确的色散性和变浅作用性能,而且具有四阶完全非线性特征,适合模拟波浪在近岸水域的非线性运动。     

长兴岛海区波流相互作用数值模拟研究

波和流是近岸海区的主要动力因素。应用二维潮流数学模型和最新第三代近岸海浪模式SWAN,建立了非结构网格下二维情况近岸波流耦合作用数学模型。时间离散采用欧拉向前格式,空间离散采用有限体积法显式格式。通过将波浪场及潮流场进行迭代耦合计算,实现了对波流共同作用下波浪场和潮流场的数值模拟。将模型应用于矩形海湾实验和李孟国数模实验等理想地形以及大连长兴岛海区实际复杂地形算例,并用现场实测资料对计算结果进行验证,结果表明:耦合结果与实测结果吻合良好,并且要优于未耦合的结果。     

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.     

A new form of higher order Boussinesq equations

On the basis of the higher order Boussinesq equations derived by the author (1999), a new form of higher order Boussinesq equations is developed through replacing the depth-averaged velocity vector by a new velocity vector in the equations in order to increase the accuracy of the linear dispersion, shoaling property and nonlinear characteristics of the equations. The dispersion of the new equations is accurate to a [4/4] Pade expansion in kh. Compared to the previous higher order Boussinesq equations, the accuracy of quadratic transfer functions is improved and the shoaling property of the equations have higher accuracy from shallow water to deep water.