渤海湾二维温带风暴潮与波浪耦合数学模型

基于二维温带风暴潮控制方程和动量谱平衡方程理论,建立了二维温带风暴潮与Swan波浪计算模式相结合的波流耦合数学模型,研究了波浪辐射应力对渤海湾二维温带风暴潮过程的影响,通过对发生在该区域的2次温带风暴潮过程的模拟计算,得到了波浪辐射应力作用前后的风暴潮潮流、潮位变化过程,并与塘沽验潮站实测的潮位变化过程进行对比.结果表明:波浪辐射应力对不同风暴潮过程的影响程度不同,与风应力的分布规律有关;考虑辐射应力作用的波浪与风暴潮耦合模型的模拟潮位变化过程和实测潮位变化过程较吻合,波浪辐射应力对岸线附近潮流形态的影响较明显.     

福建海坛湾波流双向耦合下水动力特征

采用MIKE 21软件中SW(spectral wave)波浪模块和FM(flow model)潮流模块,将潮流模块计算得到的水位与流速输入波浪模型,将波浪模块计算得到的辐射应力输入潮流模型,建立海坛湾波流双向耦合的水动力数学模型.分别计算纯潮流和纯波浪作用下的潮流场和波浪场,计算结果与实测数据吻合良好,再分别对波流双向耦合作用下的潮流场和波浪场进行了模拟.比较结果表明:波流耦合作用对流速和波高都有一定的影响;在波流异向特性明显的区域,波高增大显著;涨落急时刻波高在近岸区域的衰减速率和纯波浪作用下的较一致;落急时刻波高开始显著衰减的位置明显早于涨急时刻;波浪辐射应力在破碎带附近对流速的影响最大.     

大尺度结构物附近小尺度杆件上波浪力的时域分析

为准确计算复合结构中小尺度杆件上的波浪荷载,不仅需考虑入射波浪的作用,还应该考虑大尺度结构物对波浪的绕射以及辐射的影响.本文以波浪对固定圆柱作用产生的绕射场为例,用Morison公式计算绕射场作用下细小杆件的波浪荷载.用高阶边界元法建立波浪对结构物作用的时域计算程序,利用积分方程求解域内水质点由绕射势产生的速度和加速度.结果显示,在一定的波浪条件下,考虑绕射波浪力得到的总力可达到入射波浪力的2倍.因此,在工程中应充分考虑复合结构中由于大尺度结构物存在而产生的绕射和辐射作用于细小杆件的波浪力.     

畸形波作用下海洋平台小尺度杆件波浪荷载分析

为准确计算复合结构中小尺度杆件上的波浪荷载,不仅要考虑入射波浪作用,还应该考虑大尺度结构物对波浪的绕射以及辐射影响.以畸形波对固定圆柱作用产生的绕射场为例,用Morison公式计算绕射场作用下细小杆件的波浪荷载.用高阶边界元法建立波浪对结构物作用的时域计算程序,利用积分方程求域内水质点由绕射势产生的速度和加速度.结果显示,在一定波浪条件下,杆件上的总波浪力为入射波浪力的1.2倍.因此,在工程中应充分考虑复合结构中由于大尺度结构物存在产生的绕射和辐射作用对细小杆件的波浪力.     

波流作用下大尺度圆柱周围局部冲刷深度简化数值模型

利用数模研究了波流共同作用下大尺度孤立圆柱周围的局部冲刷问题．该数模包括波浪场模型、流场模型、剪应力模型和冲淤形态模型．在数值计算中,通过分别求解缓坡方程和浅水环流方程得到波浪场和流场的分布情况,据此计算出水质点的底流速,得到底床剪切应力场的分布情况．可通过底面剪应力与泥沙起动应力的比较来调节底床的地形．计算了不同条件下孤立圆柱附近的局部冲刷情况,据此研究了波高、流速对局部冲刷的影响,发现最大冲刷深度随流速、波高的增大而增长．数模采用有限元方法,结果比较合理．     

波浪对理想河口盐度分布影响的数值模拟

采用三维潮流、盐度数学模型,考虑三维波浪辐射应力和波流共同作用的底部剪切应力作用,以最简单的理想河口为例,对不同强度波浪场下河口及海区盐度分布进行了对比分析,结果表明,在考虑波浪后,河口区盐度(表层和底层)均呈减小趋势,而海区表层盐度增加,底层盐度略减小.该研究直观地显示了波浪对河口盐度输移的影响,对全面揭示河口盐度输移过程有重要意义.     

基于四叉树网格近海海域波浪、潮流相互作用的数学模型

针对近海岸区域地形、水文、泥沙运动复杂的特点,本文建立了高效的近岸平面二维隐格式潮流、波浪联合作用的数值计算模式.水动力数值模型以非线性的浅水方程为基础,应用Quadtree非结构网格,变量布设采用同位网格,u,v及水位变量布设在同一个节点上,简化计算程序的代码.采用有限体积方法离散方程,应用SIMPLEC程式求解离散的控制方程,由Rhie-Chow的动量插值方法计算界面通量可以避免棋盘式波动.整合的方程组采用最小残差法（GMRES）求解,并利用预条件的不完全Lu分解方法加速其收敛性、提高计算效率.波浪模型以考虑波浪折射、绕射、衍射以及波浪破碎影响的多向不规则波的波作用量守恒方程为基础,计算的波浪幅射应力反应波浪对水体的驱动力.将本文的耦合模型应用到稳态丁坝绕流、理想海湾、法国的Gironde Estuary、波生沿岸流和美国的Grays Harbor算例中,数值模拟结果分别和实验值及测量结果进行比较.计算结果表明,本文建立的平面二维波浪、潮流耦合的数值模型能够准确、高效的模拟复杂计算域的潮流及波浪问题,该模型对近海工程的顺利开展以及海岸带环境保护等方面具有重要的应用价值.     

近岸多向不规则波传播变形的数学模型

开发了考虑非线性弥散作用的缓坡多向不规则波传播变形的数学模型．首先，根据线性波动的叠加原理和波浪方向谱理论，以考虑非线性弥散影响的规则波缓坡方程为基础，推导出考虑非线性弥散影响的缓坡多向不规则渡传播变形的微分方程；其次，基于以上方程使用有限差分方法建立数学模型；然后，采用实验室波浪试验资料对本数学模型进行验证计算；最后，对非线性弥散对波浪传播的影响进行研究．研究结果表明：开发的数学模型合理、可信；在浅水区，非线性弥散作用明显，考虑非线性弥散作用十分必要．     

多重尺度法在流体动力学中的应用

从Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ（Ｎ－Ｓ）方程和质量守恒方程出发,根据潮流、波浪和湍流等时间、空间尺度的不同特点,引入摄动理论中的多重尺度法,将方程中各物理量分解为与之相关的部分,在不同尺度下作平均,导出不同尺度下波流耦合作用连续方程、动量方程和泥沙方程,用数学方法解释潮流波浪间的相互作用和影响,分别讨论波浪、潮流作用下含沙量的垂向分布,与现有理论公式及实测资料进行计算比较,得到满意的结果,有助于进一     

河流海岸水动力学综合模型

为研究在波浪、潮流及河川径流等多种动力因素共同作用下河口海岸地区的水动力环境,建立了一个河口海岸地区的综合水动力学模型。该综合模型应用了基于改进型Boussinesq方程的近岸模型、基于Saint-Venant方程的河道模型,并考虑了波浪破碎及底部摩擦的影响,将近岸水动力模型和河道水动力学模型进行耦合求解。将该模型用于研究长江口及口内感潮河道径流与潮流的相互作用,涨潮及落潮过程中水流运动。计算所得到的各测站水位、流速及流向与观测资料吻合良好。     

人工水下沙坝对中海滩浴场水动力影响

基于Delft3D软件建立了北戴河中海滩浴场海域的二维及三维潮流和波浪耦合数学模型,并用实测潮流和波浪资料进行模型验证.利用验证后的模型模拟人工水下沙坝引起的水动力环境变化.结果表明:由于工程海域附近的潮流作用较弱,因此潮流影响仅体现在沙坝周围;4座人工水下沙坝具有一定的消浪作用,并且消浪作用随入射波高的增加而增强;总体上看,人工水下沙坝的建造使浴场附近的水动力作用减弱,水动力环境朝着有助于海滩保护的方向发展.     

黄茅海潮流波浪计算分析

采用海岸工程水动力学数学模型对黄茅海潮流场及波浪场进行了计算.潮流计算中利用水平方向上的曲线正交坐标与垂直方向上的Sigma坐标相结合以及三维模型二维化的方法,波浪计算采用双曲型缓坡方程,并引入改进型的非线性弥散关系,从而能反映波浪的非线性效应.计算结果与实测结果比较表明：模型能较好地复演黄茅海潮流及波浪场,可以用于工程实际中沿岸及河口湾潮流波浪场问题的计算.     

人工岛群对弱潮区海岸动力影响的叠加效应分析

为科学评价人工岛群对周边海岸动力产生的影响,基于MIKE21数值模拟软件建立秦皇岛金梦海湾潮流模型和波浪模型,运用验证合理的模型计算人工岛(群)作用下的潮流场和波浪场。在对金梦海湾已建人工岛群影响下的区域动力过程特征分析的基础上,选取合适分析点研究人工岛间的相互作用。研究表明,由于莲花岛与海螺岛的阻流、导流和分流作用,潮流在海螺岛与岸线之间形成较大范围弱环流区,流速几乎为零,并在莲花岛与海螺岛形成的口门处及人工岛群外侧海域形成流速显著增加区域。这3处区域流场受人工岛群影响最大,其中海螺岛起到控制性作用。在人工岛群共同作用下金梦海湾潮流的变化不是各单一人工岛作用下变化的线性叠加,而有效波高受人工岛间相互作用的影响是线性的。人工岛群对金梦海湾起到很好的消浪效果,但却大大削弱了近岸区域的潮流动力。     

Background current affects the internal wave structure of the northern South China Sea

The internal wave modal equations are solved with the consideration of background currents. Analytical and numerical solutions of some specific examples, including observations in the northern South China Sea (SCS), are obtained to investigate the effect of background current on internal wave vertical structure. The effects of current shear and curvature on internal wave vertical structure are evaluated separately. It is found that the phase speed and wave structure are modified by background currents, the current shear has little effect on wave structure, whilst the current curvature could have strong impact on wave structure. The extent of the effect by the current curvature on the wave structure depends on the magnitudes of current curvature, relative wave speed, and buoyancy frequency, sometimes the effect by the current curvature may even cause the wave to attenuate severely with depth. A new method to obtain the real eigenfunction with depth in the case that the waves become evanescent is also put forward. It is shown that, the residual tidal current in the northern SCS is strong enough to cause the wave to attenuate severely at upper layer.     

Background current affects the internal wave structure of the northern South China Sea

The internal wave modal equations are solved with the consideration of background currents. Analytical and numerical solutions of some specific examples, including observations in the northern South China Sea （SCS）, are obtained to investigate the effect of back- ground current on internal wave vertical structure. The effects of current shear and curvature on internal wave vertical structure are eval- uated separately. It is found that the phase speed and wave structure are modified by background currents, the current shear has little effect on wave structure, whilst the current curvature could have a strong impact on the wave structure. The extent of the effect by the current curvature on the wave structure depends on the magnitudes of current curvature, relative wave speed, and buoyancy frequency, sometimes the effect by the current curvature may even cause the wave to attenuate severely with depth. A new method to obtain the real eigenfunction with depth in the case that the waves become evanescent is also put forward. It is shown that the residual tidal current in the northern SCS is strong enough to cause the wave to attenuate severely at the uooer laver.     

波流对人工岬头和海滩养护工程的响应

以新开河口至南山岸线为研究对象,为减少海岸侵蚀,在岸线两端修建人工岬头和包含水下沙坝的海滩养护工程.基于MIKE 21软件建立潮流和波浪耦合模型,研究波流动力对人工岬头和海滩养护工程的响应变化.人工岬头的挑流作用使得东西岬头前流速增加,但岬湾内部流速减小并在岬头后侧形成弱环流.海滩养护工程后沙坝坝顶有效波高略有增加,但沙坝之间有效波高有所削减,沙坝后侧海域波高明显减少;滩肩前方海域有效波高减小,涨潮期间波高减小量大于落潮期间波高减小量.人工岬头和海滩养护工程的共同作用可有效削减岬头和沙坝环抱海域特别是近岸的潮流和波浪,减少海岸侵蚀.     

潮汐周期在潮坪沉积中的记录

选择平静天气泥质潮滩相对淤积期进行现场直接观测每个潮周期的沉积物特征。结果表明潮汐层偶的厚度变化与大小周期潮差旋回性变化密切相关。原始数据平滑后曲线更清晰地展示出大小潮周期，反映随机的非潮汐因素的影响可以通过地定的数学方法予以去除。现代潮坪观测表明潮汐沉积可以记录潮汐能量呈周期性变化的特性，因此，可通过研究保存较完整的潮汐韵律层的层偶组来提取古潮汐信息。但这种蕴含潮汐信息的韵律层可能只局限于一些基本不受风浪影响的沉积环境，而在长江三角洲开敞型泥质潮坪难以保存。     

北海港湾日潮波的数值模拟

本文利用数值方法,模拟了北海港湾的全日潮波。计算结果表明,北海港是一个强潮海区,潮流一般为30厘米/秒;湾内没有形成独立的潮波系统,潮余流在湾内出现了8个涡旋区,其流速一般为0.5—4厘米/秒。本项计算结果与实测结果基本相符。