近岸港口风暴潮与台风浪相互作用的数值模拟

为了模拟近岸港口风暴潮与台风浪的相互作用,利用ECOMSED和SWAN,采用嵌套方法,使用海图水深数据、Holland台风模型气压场,选择具有代表性的200808号台风为天气背景,规划4组数值试验,通过单向耦合研究该港区及邻近海域的台风浪和风暴潮水位相互影响。使用ECOMSED模式,按是否考虑波浪作用分别计算苏澳港风暴潮水位。对比结果表明,考虑海浪影响的风应力以后,风暴潮水位更加接近实测值,海浪通过风应力对苏澳港风暴潮位有全局性的调制作用,苏澳港内聚集更多的海水,内外的水位高度差加大,海平面更加倾斜。使用SWAN模式,按是否考虑风暴潮位影响分别计算了苏澳港的台风浪,试验结果表明,波高受风暴潮位的影响是局部的,靠近岸边的有效波高有所增大,增大的幅度约1m,而水位较深的地方有效波高变化不明显。     

海洋动力要素耦合作用对悬浮物质输移的影响

利用近岸海洋动力要素耦合作用的数学模型提供的水动力条件,对悬浮物质输移扩散规律进行了数值模拟,并与在单纯潮汐风暴潮条件下的悬浮物质输移扩散规律进行了比较.数值模拟结果表明,考虑波浪和潮汐耦合作用的海洋动力参数与实测资料更加吻合,从物理机制上看也更加合理;考虑近岸海洋动力要素耦合作用的悬浮物质输移扩散规律明显不同于单纯潮汐风暴潮情况下的悬浮物质输移扩散规律.因此,在考虑悬浮物质输移扩散时,不应只考虑潮流,必须考虑近岸海洋动力要素的耦合作用.     

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.     

波浪对台风风暴潮过程的影响分析

利用胡克林等建立的长江口及邻近海域的二维风暴潮数值计算模式,对2007-2008年有较大影响的4次台风风暴潮进行加波浪和不加波浪的后报计算.将计算结果与实测资料进行比较分析,得出结论:波浪对于风暴潮的影响程度取决于台风的路径、登陆地点和不同时刻.在台风登录前后一两天内,加波浪计算比不加波浪计算出的风暴潮水位精度总体要高;当台风传播到近岸时,波浪破碎对近岸增水影响较大,需要加波浪计算台风风暴潮;对南登陆北上转出型台风风暴潮计算时需加波浪,而对南登陆型可不必加波浪,以提高计算效率.     

北部湾风暴潮的数值模拟：三维流速分解模型的一个应用

从三维浅海非线性体动力学模型方程出发，使用进一步发展了的流速分解法，以７１０９号和８００７号台风为例，对北部湾的潮汐与风暴潮的耦合水位及流速进行了数值模拟。计算结果与实测资料基本相符。此外，还对北部湾风潮及天文潮的非线性效应进行了数值探讨，提出了有益的结论。     

长江口台风暴潮的计算模式研究

长江口台风暴潮的数值研究包括计算模式的研究、增水计算、潮波传播计算和预报模式研究等四部分.本文阐述用二维全流型风暴潮方程组计算长江口地区风暴潮的模式.将计算域分成口外区增水线性计算和口内区考虑增水与潮汐综合作用非线性计算.文章讨论了两个计算区域的确定,并详述了采用套网格差分格式时,时间、空间步长不同的计算域间的交接方法.     

风应力拖曳系数选取对风暴潮数值模拟的影响

在风暴潮的形成中风应力起决定性作用，风应力拖曳系数决定了大气与海洋间的动量传输率。观测结果表明，风应力拖曳系数随风速而变化，与海面粗糙度有关。文中采用几种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行数值模拟，与将其视为常数情况比较，计算结果的精度均有较明显提高。对比各表达式模拟结果，采用Smitth(1980)风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好。     

长江口与杭州湾风暴潮三维数值模拟

基于改进的河口海岸和海洋三维数值模式ECOM-si，加入台风模型气压场和模型风场，同时考虑径流、天文潮与风暴潮耦合作用，数值模拟了TC9711（Winnie），TC0012（Prapiroon）和TC0014（Saomai）三个台风期间长江口和杭州湾的水位过程.与观测资料比较，模式较好地再现了台风期间的水位过程，采用Fujita（藤田）气压场公式计算的结果比Fujita Takahashi（藤田 高桥）气压场公式下的计算结果更符合实测值，并在上述3个台风期间计算水位值与观测值的均方误差分别为42.5 cm，41.7 cm，35.5 cm.     

波浪载荷作用下海洋结构焊趾表面裂纹的应力强度因子计算

提出一种考虑波浪外载荷影响的应力强度因子计算方法,并通过与权威经验公式进行对比以验证其有效性;在不同的浪向、频率下对某半潜平台立柱与撑杆连接处肘板焊趾表面裂纹应力强度因子幅值进行计算.结果表明:由经验公式所得应力强度因子幅值与实际波浪载荷作用下的结果差别很大;可根据部分计算结果预测不同波浪载荷作用下不同尺寸裂纹的应力强度因子幅值.     

夏季波浪对钦州湾水交换能力的影响研究

基于无结构三角网格的FVCOM海洋模式,以K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2和K2这8个分潮调和常数为驱动,考虑钦江和茅岭江两条径流,建立了钦州湾海域的高分辨率三维水动力数值模型。通过与实测数据的对比,该模型可以较好地模拟钦州湾海域的水动力特征。在此基础上叠加浪流耦合模块和DYE-RELEASE模块,模拟了夏季波浪对钦州湾海域流场结构以及水交换能力的影响。结果表明:波浪对钦州湾海域流场的影响,涨急和落急潮流场的变化不显著,而涨憩尤其是落憩时,钦州湾的流速明显增大。钦州湾在潮汐径流作用下的半交换时间为14.3 d,在潮汐径流波浪作用下的半交换时间为4 d。内湾茅尾海的水体交换主要受制于潮汐和径流,而外湾钦州湾的水体交换受制于潮汐和波浪。     

水库湖流多负荷数值模拟

系统地研究湖泊、水库中各类水动力外负荷作用,考虑了波,流共同作用下的底摩阻、波浪剩余动量流、风作用剪应力、风吹流及悬移质扩 分布等,创建了多负荷水动力泥沙数值模拟系统。该系统在引滦入津输水工程中的于桥水库,尔王庄水库湖流流场计预报中应用,模拟结果与实测数据十分吻合,以于桥水库湖流流场计算为例,提出包括于桥水库特征的逐月,特征水文日,无风及不同风向风速,不同出、入库流量、工程输水与否、悬沙输移扩散等内容的多种方案的流场和泥沙扩散分布,为水库水质污染防治提供了量化依据。     

矩形板中应力波主波和次波的传播与反射

弹性应力波的修正理论指出关于体积应变的波动方程与现有理论一致,但发展了一组关于体积应变和偏应变的弱耦合波动方程。针对矩形板受侧向集中载荷冲击下应力波的波动问题,建立了应力波传播的两组控制方程以及加载面和自由面的波动边界条件。采用有限差分方法求解波动方程,数值分析了应力波关于主波和次波的传播以及自由面上斜入射波的反射过程。偏应变在传播过程中分裂为两部分,一部分与体积应变共同传播组成主波,另一部分传播较慢形成次波。数值模拟结果显示与冲击载荷下纳钙玻璃板中应力波的传播图像是完全符合的。     

基于模型耦合的北部湾风暴潮增水与风浪模拟研究

台风风暴潮引发的增水和风浪效应是造成沿海低地灾害和损失的重要因素。本文设计了区域嵌套、波-流耦合的有限元数值模拟系统,对北部湾及附近海域风浪和增水过程进行有效模拟,精度达到应用要求。结果表明北部湾在台风影响下引起明显风浪和增水效应。台风中心风浪较小,仅1 m以内;而台风臂扫过海域风浪较大,可达9 m以上。最大增水海域出现在北部湾东侧靠近琼州海峡附近,可达2.5 m。风浪与增水叠加具有非线性效应,最大增水与最大风浪出现时间如与大潮高潮位相遇易形成超高水位,将对北部湾沿岸低地造成巨大淹没风险。本研究意在突破北部湾现有模型局限性,为进一步深化科学研究和工程应用提供基础数据。     

孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟

海啸对海面上的船舶、建筑物及周围环境破坏极大,而对于海啸的研究通常采用孤立波来模拟.为了探究海啸对斜坡堤越浪的问题,在FLUENT软件中,建立二维数值波浪水槽,采用用户定义函数(user defined function,UDF)边界造波,流体体积函数(volume of fluid,VOF)方法追踪自由表面,模拟出孤立波波高随时间变化的情况.并利用斜坡堤数值波浪水槽模拟堤顶处的越浪量,与实验数据对比.进而,研究相对波高、相对超高、相对堤顶宽度对越浪量的影响.研究结果表明,孤立波在斜坡堤作用下,越浪量数值模拟的结果与实验值吻合较好;无量纲越浪量随着相对波高的增大而增大;随着相对超高、相对堤顶宽度的增大而减小;通过模拟不同堤顶宽度的越浪量,总结出孤立波越浪量沿堤顶宽度衰减的经验公式.     

近十年我国海平面变化研究进展

系统地回顾了2006—2015年我国在海平面变化规律、机制及影响领域的最新研究进展。分析了全球及区域海平面以及比容海平面在不同时间尺度上的变化规律;探讨了海平面的变化机制,海表热通量、淡水通量、环流、风应力以及Rossby波对不同区域海平面变化的动力及热力影响;采用统计方法和数值模拟等手段,对21世纪海平面变化进行了预测;同时海平面变化会影响海洋的动力过程(如潮波系统的变化),并进而对近海和海岸带环境产生重要影响(如海岸侵蚀、海水入侵和土地盐渍化、河口咸潮入侵、近岸低地淹没、红树林衰退等)。     

Stokes波的数值生成

优良的波浪环境条件是非线性波浪与结构物相互作用问题研究的基础。给出一种在时域中模拟刚性剖面作周期运动辐射生成Ｓｔｏｋｅｓ 波的方法,为数值波浪水池试验提供高品质入射波模型。在频域中对二维二阶辐射问题作数值求解,通过对二阶辐射波传播模式的分析,找出能在水池中生成二阶意义上纯正的Ｓｔｏｋｅｓ波的造波机运动形式。利用边界积分方程的时间步进法进行非线性数值造波的模拟证实了在频域中得到的结论,在数值波浪水池中生成了稳定的带有波前的高品质Ｓｔｏｋｅｓ波。     

层理岩体爆破应力波传播规律研究

本文以层理岩体地层隧道开挖爆破为研究背景,通过理论解析和数值模拟分析层理倾角变化对爆破应力波的传播影响。研究发现：层理对应力波具有一定的吸收和反射作用,加速了爆破应力波在层理岩体中衰减;层理倾角越大应力波的透射率越小,应力波透过层理的衰减度越大;当应力波由硬介质入射到软介质中时透射率小于1,反之透射率则大于1。当层理倾角大于30°时,应力波的反射率随层理倾角的增大而变大;小于30°时,应力波反射率随层理倾角的增大而减小。此外,运用公式求解得到质点振动速度衰减度随层理倾角变化关系。     

高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应研究

运用大型结构分析程序Midas/civil在地震波作用下,对某一实际高墩大跨连续刚构桥的地震反应的行波效应进行了时程分析的数值模拟,分析了高墩大跨连续桥在顺桥向地震波作用下不同的相位差的行波效应,以及行波效应对桥梁高低墩墩差产生的影响.结果表明:行波效应对高墩大跨连续桥的影响很大,桥梁高低墩墩差越大行波效应越明显,高墩大跨连续桥在抗震设计时应考虑行波效应.     

贝宁海滩上波浪传播演变特性研究

为分析贝宁海滩上波浪传播演变特性，基于开源波浪数值计算软件COBRAS建立了贝宁典型海滩剖面数值模型，模型中采用k-epsilon紊流模型求解雷诺应力，采用流体体积法捕捉自由液面，并采用斜坡上波浪破碎试验结果对数值模型进行了验证。基于该模型对常浪条件和极端波浪条件下海滩上波浪传播规律的模拟结果表明：常浪条件下波浪主要在沙坝附近发生破碎，极端波浪条件下波浪在沙坝外侧200 m处开始发生破碎；破碎区域内水质点速度较大，常浪条件下沙坝周围的流速可达7.5 m/s,极端波浪条件下破波带内水质点速度可达12.4 m/s,且波浪回流与入射波浪在沙坝周围相互作用会形成较强的涡旋；随着波浪非线性的增强，波浪爬高也逐渐增大，在极端波浪条件下，沙丘上会发生越浪。     

应力波在落叶松活立木中的传播规律

【目的】探究应力波在落叶松活立木中的传播形式和传播规律,为人工林材质预测评估提供理论基础。【方法】依据固体介质中的应力波传播理论和弹性力学理论,基于活立木的正交各向异性假定,利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对应力波在活立木中传播的波阵面进行了模拟计算,并通过试验验证数值模拟方法的合理性。【结果】应力波传播波阵面在开始阶段为倾斜曲线(二维)或倾斜曲面(三维),且曲线和曲面都弯向脉冲力输入点,随着距离的增大,波阵面倾斜度逐渐减小,直至最后与活立木的长度方向近似垂直,即应力波在活立木中由三维膨胀波传播形式逐渐转向准平面波传播形式; 波阵面倾斜度的减小速度随着活立木直径的减小而加快; 传播距离对波速没有影响,波速总体上随着直径的增大而增加。最后,通过试验验证,证明了这种数值模拟研究应力波在活立木中传播规律的方法是可行的。【结论】通过数值模拟手段研究应力波在活立木中的传播规律以及直径和传播距离对波速的影响是合理可行的,直径和传播距离都会对应力波在活立木中的传播形式及规律造成影响,但二者对波速的影响不同。