A Coupling Model of Nonlinear Wave and Sandy Seabed Dynamic Interaction

In the paper,a weak coupling numerical model is developed for the study of the nonlinear dynamic interaction between water waves and permeable sandy seabed.The wave field solver is based on the VOF(Volume of Fluid)method for continuity equation and the two-dimensional Reynolds Averaged Navier Stokes(RANS)equations with a k-ε closure.The free surface of cnoidal wave is traced through the PLIC-VOF(Piecewise Linear Interface Construction).Biot's equations have been applied to solve the sandy seabed,and the u-p finite element formulations are derived by the application of the Galerkin weighted-residual procedure.The continuity of the pressure on the interface between fluid and porous medium domains is considered.Laboratory tests were performed to verify the proposed numerical model,and it is shown that the pore-water pressures and the wave heights computed by the VOF-FEM models are in good agreement with the experimental results.It is found that the proposed model is effective in predicting the seabed-nonlinear wave interaction and is able to handle the wave-breakwater-seabed interaction problem.     

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。     

非淹没刚性植物对海啸作用下海堤水动力特性影响数值模拟研究

基于非静压单相流模型NHWAVE建立了高精度数值波浪水槽。通过设计不同的计算工况,系统研究了非淹没刚性植物对海啸作用下海堤周围水动力特性的影响。着重分析了不同入射波高、不同植物分布密度以及不同植物分布宽度条件下海啸波沿程波形特征以及海堤堤顶越浪流空间分布特征。结果表明:不同入射波高、植物分布密度以及植物宽度条件下,堤顶流厚度和水体流速具有明显单调的变化趋势,并且随着植物分布密度和宽度增大,波能衰减增大;随着入射波非线性增强,植物分布密度和分布宽度对堤顶前段水流厚度的影响也随之增强,而对堤顶后段水流厚度的影响则减弱,且堤顶后缘水流厚度约为堤顶前缘厚度的二分之一;在波浪非线性较大情况下,植物的存在对堤顶流速度的空间分布趋势几乎没有影响,但相对堤顶流速度增加程度均大于无植物情况,且堤顶后缘水流速度约为堤顶前缘的1.6倍。     

WRF模式空间分辨率对南海台风模拟的敏感性分析

为准确模拟南中国海台风路径和强度,对建立的WRF模式开展水平和垂向网格分辨率的敏感性分析。水平网格分辨率分别采用5 km,10 km,20 km,30 km以及15 km和5 km的嵌套方案等5种情况,垂向网格分辨率采用35层、28层和20层等3种情况,顶部最大压强采用1000 Pa,2000 Pa,3500 Pa和5000 Pa等4种情况,针对台风"启德"的路径和强度进行模拟分析。对不同条件组合下的台风路径、风速和海面压强进行对比,发现水平和垂向网格分辨率对台风路径的影响比较有限,对台风强度的影响相对显著。基于高精度空间分辨率模拟得到的台风强度与实测值吻合更好,采用嵌套网格技术对计算结果精度的提高效果显著。采用35层的垂向分辨率得到的模拟结果明显优于基于20层和28层得到的模拟结果。经过对比分析,确定适用于本研究的最优参数设置：水平空间分辨率采用15 km和5 km的双向嵌套网格方案;垂向分层为35层,顶部最大压强为2000 Pa。     

大气-海浪耦合模式及其在理想台风模拟中的应用研究

采用传统的理论模型或者经验公式构建台风动力场驱动海浪模式,无法反映台风影响下海气动力过程,难以为海浪模式提供高精度的台风风场、气压场数据。为解决这一问题,基于中尺度大气模式WRF和第三代海浪模式SWAN,构建大气-海浪实时双向耦合模式,并将其应用于理想台风的模拟之中。建立的WRF-SWAN耦合模式能够成功模拟理想台风影响下的台风浪分布特征,揭示了台风风场和台风浪在空间上的“右偏性”不对称分布特征,该模型可推广用于实际台风浪的模拟分析。     

基于多源遥感影像的洞庭湖地形提取方法

湖底地形数据是湖泊流域规划与治理、湖区冲淤变化研究、水资源利用和生态环境保护的重要基础。但传统的大型湖泊湖底地形数据获取手段耗时长、投入大,因此,有必要研究一种基于遥感影像快速获取湖底地形数据的方法。本文以洞庭湖为研究对象,采用Landsat和MODIS系列遥感影像提取湖区边界,基于趋势面分析法和克里金插值法,反演湖区边界各点对应的水位,将带有水位信息的边界点作为高程点实现湖底地形反演,进一步用实测湖底地形验证反演方法的可靠性。研究结果表明,克里金插值法水位反演效果较好,交叉验证的误差标准平均值在0.2 m以内,水位样本点分布较多处,基于克里金法的地形反演绝对误差在1 m以内。本文利用湖泊淹没区域变化的特点快速获取湖底地形,对湖区演变分析、综合治理与保护等具有重要意义。     

Mellor-Yamada模型在波浪边界层中的运用

利用Mellor-Yamada 2.5阶封闭格式建立一维垂线波浪边界层数学模型,利用有限元方法求解,模拟线性波作用下的层流边界层和乔治沙洲南侧海岸一侧点的波浪边界层流速分布,并同理论或其他的计算方法进行比较,结果显示该模型具有较高的精度,能广泛运用于波浪边界层的研究中。     

波浪非线性对海草消波特性的影响

海草所形成的植物消波体系能有效防止岸线的侵蚀。利用Sánchez-González等的实验数据分析了波浪非线性对海草消波特性的影响。研究结果表明,相对水深和波陡对海草床的波能衰减系数影响依赖于海草淹没度。相对波高一定时,拖曳力系数随相对水深的增大而增大。对给定的相对水深,拖曳力系数随波陡的增大而减小。波浪非线性对于规则波和非规则波海草消波特性的影响并不一致。用无量纲参数（邱卡数、雷诺数、厄塞尔数）表达拖曳力系数的效果取决于拖曳力系数与无量纲参数的关系中是否充分考虑波浪非线性对拖曳力系数的影响。     

刚性植物分布方式对海啸波消减影响实验研究

在理论分析的基础上通过物理模型实验探究了刚性植物分布方式对海啸波消减的影响。实验中借助孤立波模拟海啸波,分析了矩形、交错、组合三类分布方式下孤立波沿程波高、透射系数以及拖曳力系数的变化情况。结果表明,植物分布密度相等时,孤立波在矩形和组合分布植物模型前的壅高均大于交错分布植物模型。同时,植物分布密度一定时,分布方式将对植物消波产生影响,且植物间横向间距L2比纵向间距L1的影响更大。在雷诺数2000≤Rep≤4000且体积分数小于或等于0.331的条件下,各植物模型的拖曳力系数随植物分布密度的增大而增大。     

规则波作用下植物带波高衰减特性实验研究

基于综合考虑根、茎、叶影响的近岸植物消波实验,对植物带沿程波高衰减特性进行了研究。结果表明,当淹没度为0.778时,茎与根作用下的植物带沿程波高衰减强度沿向岸方向逐渐增强,植物带沿程波高衰减规律与Dalrymple幂函数形式和Kobayashi指数形式的波高衰减规律并不一致。在非淹没情况下,叶作用下的植物带沿程波高衰减服从幂函数形式和指数形式的波高衰减规律。植物带沿程波高衰减强度随分布密度的增大而增大。研究发现根、茎、叶及分布密度对植物带沿程波高衰减特性的影响与植物淹没度和入射波高相关。另外,植物带消波并不是各部分消波作用的线性叠加。当植物带分布密度较大时,Dalrymple和Kobayashi波浪传播模型的有效性有待进一步提高。