双层环境中圆桩柱对斜坡异重流动力特性影响的试验研究

利用开闸式异重流水槽试验,结合高速相机和粒子图像测速技术,量化不同强度双层环境中圆桩柱对斜坡异重流传播模式、速度与涡度场、波流作用等宏微观特性的影响。试验结果表明：在低理查森数Ri_ρ环境中,圆桩柱的存在抑制了异重流混合层厚度的增加,但延展了其在流向的长度;在高理查森数Ri_ρ环境中,圆桩柱打破了侵入流在密度跃层处对称的传播模式,并促进了异重流与环境流体的剪切过程。当内波弗劳德数Fr> 1时,产生锁定波,异重流头部出现强漩涡,在密度跃层产生有利压力梯度使内波尺寸增大;当内波弗劳德数Fr <1时,振荡产生发射波,波谷与异重流头部相互作用而使波形变平整;当内波弗劳德数Fr≈1时,锁定波和发射波并存。在低理查森数Ri_ρ环境中,圆桩柱的存在导致波流耦合作用减弱,而在高理查森数Ri_ρ环境,波流耦合作用反而增强。     

强海况下波流相互作用对有效波高的影响研究

波流相互作用作为非线性科学的前沿课题,一直受到国内外广大学者的关注。本文以2016年第1号超强台风“尼伯特”为例,基于波流耦合模式研究了台风影响期间强海况下波流相互作用对有效波高的影响。研究表明：（1）波流耦合模式可有效提高强海况下海浪的模拟精度;（2）波流相互作用对有效波高的影响与波向和流向之间的夹角关系密切：当波向与流向大致相同时,波流相互作用使有效波高减小;当波向与流向大致相反时,波流相互作用使有效波高增大;当波向与流向之间的夹角越接近90°时,波流相互作用对有效波高的影响越小。波流相互作用对有效波高的影响最大可达1.5 m。     

粉沙质海岸波流作用下水体含沙量及其垂线分布试验研究

通过长水槽试验和理论分析研究了粉沙在波浪及波流作用下的基本运动特性。根据挟沙水体能量耗散平衡原理,提出波浪及波流作用下水体平均含沙量计算公式;假定泥沙扩散系数沿水深呈线性关系,由泥沙扩散系数和能量耗散相关,提出波浪及波流作用下临底含沙量和垂线分布计算公式,其计算值和实测值基本吻合。     

波浪对潮流能水轮机性能测试影响的实验研究

随着潮流能开发利用技术日趋成熟,对其测试工作也提出了更高的要求。然而,在潮流能装置性能测试中,波流相互作用的影响往往被忽略,导致测试结果不准确。为了研究波流相互作用对测试的影响方式与程度,采用物理模型试验的方法,对垂直轴潮流能发电装置模型进行了试验研究。通过分析波流作用下装置的扭矩、转速及发电功率,发现波流与发电装置耦合作用明显,相比不存在波浪影响的情况下,叶轮的转动、主轴的扭矩都变得不规则,启动流速变小,同时,扭矩、转速及发电功率的瞬时值显著增大。测试结果表明,波流相互作用对装置性能测试影响显著,平均影响程度约10%,研究结果为今后潮流能发电装置性能测试标准的制定和完善提供了参考和依据。     

荣喜近岸区波流耦合作用下的流场模拟

一方面将波浪对底部剪切应力、表面拖曳力系数,辐射应力以及表面混合长度的影响引入至COHERENS.另一方面又将水动力模型COHERENS和第三代波浪模型SWAN耦合,使两模型能够随时互相交换水流、水位以及波浪信息,最终获得波流耦合模型COHERENS-SWAN并将其应用于荣喜近岸区波流共同存在情况下的波流作用模拟研究.计算所得的流速、流向和水位与实测数据吻合较好.     

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。     

改进的波流相互作用Boussinesq方程

对于波流相互作用的Boussinesq方程,为了考虑水流作用所引起的平均水面变化,通过引入新的计算速度,使方程色散关系中的水深为考虑水流影响后的实际水深,并使方程色散精度达到了Padé[4,4]。通过计算潜堤强水流和裂流两种背景水流流场情况下的波浪运动特征,验证了该模型和数值方法的正确性。     

对流层强迫与平流层暴发性增温

采用平流层准地转－β通道近似下的波流相互作用模型，考虑大气行星波１和波２与流的相互作用，以平流层底部边界强迫波波１和波２的振幅作为参数，对该模型的分岔特性进行了研究．结果表明，系统具有稳态解支Ａ，Ｂ，Ｃ，在某些参数范围内，多种稳态解同时存在．解支Ａ对应于平流层冷冬状态，解支Ｃ对应于平流层增温状态．由于参数变化系统在稳态解Ａ和Ｃ之间发生灾变是冬季平流层暴发性增温的原因．文中给出了二维参数空间中的分岔集，它表明了对流层顶的波动对平流层暴发性增温的控制作用，能很好地解释观测事实．     

海岸悬沙运移数学模型

根据适合大范围缓变地形情况下,不恒定、非均匀流场中随机波折绕射联合数值模式及波浪作用下的二维浅水环流方程和悬沙扩散方程,建立了波浪、潮流共同作用下二维悬沙数学模型,并将该模型应用于渤海湾北部海域,进行了波、流共同作用下航道疏浚弃土的悬沙扩散、运移及海床演变的数值模拟,为工程单位决策提供科学依据     

北半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学。观测和模拟结果都表明,在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导,另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明,平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化,它可以影响行星波沿低纬度波导的传播;此外,由一个行星波一平均流耦合模式模拟的结果表明,这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。 行星波对臭氧的输运作用在文中也进行了分析。行星波强迫出的剩余平均环流表明,耗散的行星波有强的输运作用;向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流,其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明,热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响,模式结果表明,在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强,其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。