基于波能守恒方程模拟近岸波流场

基于波能守恒方程对平直斜坡上近岸波浪场以及近岸波浪斜向入射破碎后所产生的沿岸流场进行数值模拟.鉴于平直斜坡地形较简单,便于简单计算,利用基于波能守恒方程建立的波浪场数学模型计算得到波高的变化,从而利用Longuet-Higgins计算辐射应力.在此基础上,利用近岸波流场数学模型对实验波况下的波流场进行模拟,并将数值模拟...     

近岸波浪破碎区污染物运动的数值模拟

波浪斜向近岸传播中由波浪破碎作用所引起的近岸波流体系是近岸非常重要的环境水动力因素,对该区域污染物的运动分布起着重要的影响作用。结合近岸波浪传播的抛物型缓坡方程、近岸波流场数学模型及污染物在近岸波流作用下运动的数学模型,对近岸斜向入射波浪破碎所产生的沿岸波流场中污染物的分布运动过程进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了分析验证。     

曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

基于非静压方程的波浪破碎模拟

在保证数值精度的基础上,为了提高非静压波浪模型在近岸波浪传播破碎模拟中的计算效率,基于非静压方程模型(SWASH)建立了近岸波浪破碎数值模型.数值模型通过将描述波浪破碎的非静压方程退化为非线性静压浅水方程并引入波浪破碎后能量衰减的紊动模型以减少模拟破碎时的垂向分层数.利用斜坡、潜堤以及沙坝上的波浪破碎水槽实验对模型进行了验证.结果表明,所建立的模型只需要在垂向划分较少的网格层数,即可合理地描述波浪破碎点位置和破碎后波高,进一步提高了非静压波浪模型在实际工程应用中的吸引力和竞争力.     

近岸非平整海底上波浪传播的非线性统一方程

针对波浪在近岸复杂地形条件下从深水向浅水传播的连续性特征,通过引进一种典型的近岸非平整海底变化的假设,由Hamilton水波变分原理建立了波浪传播的非线性统一方程,并且证明以下4种最具广泛影响力的波浪方程或关系成为它的特例:扩展的Airy非线性浅水方程;广义缓坡方程;二阶Stokes波色散关系;高阶Boussinesq型方程.     

非线性波作用下非对称沙纹床面流场特性数值分析

海床上的沙纹对泥沙输运和波浪衰减有着重要的影响.通过数值波浪水槽研究了非线性波作用下非对称沙纹床面底层的流动特性.控制方程为雷诺时均方程和 k-ε紊流模型.入射波为椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面.通过数值模拟得到了不同波浪条件下的瞬时速度场和涡量场.计算结果表明:非线性波作用下,非对称沙纹床面两侧的涡动强度不相等,涡量值与波浪参数密切相关;波浪非线性增强,涡量值增大,最大涡量值对应的相位角减小;涡量值大小的变化与外流场速度变化不同步达到最大,随着Ursell数增大,涡量值在小相角下达到最大值.     

基于曲线坐标系下缓坡方程模拟近岸波浪及波生流

为了更好地模拟曲线边界等不规则岸线附近,波浪传播及其破碎后形成的波生流问题,该文建立了正交曲线坐标下近岸波浪和波生流耦合数值模型;即采用可综合考虑近岸区波浪反射、折射和绕射等效应的双曲型缓坡方程计算波浪场,采用近岸深度平均的二维浅水方程计算波生流场,应用辐射应力的概念,使波浪模型为流场模型提供驱动力.波浪和波流模型基于相同的正交曲线网格,应用高效的ADI有限差分格式进行数值求解.将曲线坐标系下的耦合模型应用到半圆形水槽和凹型水槽两个物理模型中,数值模拟的结果分别和解析解、实验值及已发表的数值结果做了比较.模型实验验证表明,该文建立的数值模型比较准确、有效,可以应用到防波堤和河口等具有复杂边界和复杂地形的实际海域.     

波浪Boussinesq方程与缓坡方程的比较

分析、比较了近岸浅水波浪传播变形的Boussinesq方程和缓坡方程的形式与特点,建立了包含底摩擦能耗效应、波浪破碎效应和子网格效应的Boussinesq方程波浪数学模型,并介绍了处理动边界问题的窄缝法以及处理消波边界的海绵层技术．采用经验非线性色散关系,结合含非线性项的缓坡方程,得到考虑非线性作用影响的缓坡方程模型．用物理试验结果对两种模型进行验证,并用相关性分析方法对两模型的计算精度进行了分析与说明．     

基于流函数理论的近海风机非线性波浪荷载计算

近海风机多建于近海浅水区,波浪荷载非线性特性较为明显.基于流函数理论研究了高阶非线性波浪速度场和加速度场的特性.基于Morison方程和流函数理论计算了近海风机非线性波浪荷载,并研究了波浪自由面对近海风机非线性波浪荷载的影响,同时探讨了不同桩径时浅水区非线性波浪荷载的特性.为了验证计算结果的正确性和对比波浪的非线性特性...     

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.     

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．     

波浪在浅水中运动及破碎的数值研究

在一维的Boussinesq方程中引入表面翻滚的概念，通过附加迁移动量项来考虑浅水中的波浪运动以及破碎情况，建立数学模型。利用此数学模型对Airy波和孤立波在浅水中运动以及破碎情况进行模拟，得出的结果与Schoiffer和Goda的结果比较，吻合良好。     

计算溃坝波问题的离散速度模型

采用离散速度模型计算二维溃坝波问题. 按照浅水波方 程与气体动力学方程的比拟关系, 给出用于计算浅水波方程的离散速度方法. 计算了两个二维溃坝波问题： 圆形溃坝波问题和部分水坝倒塌后的水流问题. 计算结果显示, 此模型计算程序比较简单、 有效, 且稳定.     

Kdv浅水波方程的Crank-Nicolson差分格式

对非线性发展方程数值求解有着重要意义,而非线性发展方程中,Kdv浅水波方程是最典型的非线性色散波动方程的代表。针对Kdv浅水波方程的定解问题,用Crank-Nicolson差分法求解,该法具有良好的稳定性及二阶收敛性,并能数值模拟出孤立波这一物理现象,说明该差分格式是有效的。     

构造非线性演化方程精确解新方法

借助于Mathematica和吴方法,运用双曲函数方法,获得了一类KdV-Burgers和KdV方程的多组精确行波解,其中包括新的奇性孤波解和新周期解,这个算法也可用于解其他的非线性偏微分方程,如变量Boussinesq方程组,非线性浅水长波近似方程组等,这个算法可以部分地在计算机上完成。     

基于物理模型的水波动画模拟

水流现象模拟是动画模拟的一个热门课题,近年来,基于物理模型的求解方法越来越受到重视,这种方法通过求解描述自然场景的物理学方程来模拟自然规律,通过修改各种物理参数来控制动画的情节。把数值方法和计算机图形学相结合,利用差分方法求解描述水流现象的物理模型浅水波方程,通过扰动的方法控制水流画形成,进而实现了对水流现象的动画模拟。以船波为例对水流现象进行了模拟,模拟试验结果表明通过这种方法模拟水波,水波的运动不需要人工干预,由算法自动生成。同时这些实例能模拟物体与外界物体之间的相互的作用,模拟图形显示这是一个有效的水流动画模拟的手段。     

(2+1)维广义浅水波方程类孤子解和类周期解

在Riccati方程方法的基础上提出了新的广义投射Riccati方程展开法及其算法.该方法直接而有效,通过适当的变换将非线性发展方程转化为易于求解的微分方程组,从而可用来构造非线性发展方程更多新的精确解.利用这个方法研究了(2 1)维浅水波方程,并得到了许多新的精确解,其中包括类孤子解和类周期解.该算法可以用于构造其他更多非线性发展方程(组)的精确解.     

水流对立柱周围波浪爬升特性的影响

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和连续性方程建立适用于波浪与水流相互作用的三维数值波浪水池,并在该数值波浪水池内对立柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟;选用不同的波流组合方式,探讨了水流速度对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响,并与波浪单独作用时立柱周围的波浪爬升情况进行对比,分析了水流对柱体周围波面的扰动和水质点运动轨迹的影响.同时,对波浪单独作用下,立柱近壁面处的波浪爬升效应进行了模型试验,以验证数值计算结果的准确性.结果表明,其计算值与试验值吻合较好.