平缓岸坡上波浪谱的变形及破碎

文章通过理论分析和实验研究，讨论了平缓岸坡条件下不规则波的破碎指标、波浪谱变形与破碎特点及其计算方法和不再发生破碎的岸坡条件，并与物模实验结果和现场观测结果进行比较，结果吻合较好。     

缓坡上波浪谱在流作用下的变形

本文将波浪作用通量守恒原则应用于缓坡上在水流作用下的波谱变形，并与规则 波的计算结果作对比。文中比较了采用不同的海浪谱的变形情况，同时还分析了波浪 能量方向分布对缓坡上在水流作用下波谱浅水变形的影响。     

水流中波要素的预报(2)

本文主要研究波浪与水流相遇后波要素的变化。波,流同向作用时的变化,作者已有论述。而波、流逆向作用时,尤其是在浅水地区,极易引起波浪的破碎,使波要素变化机理更为复杂。本文在描述逆向水流中波要素的变化时,从工程实用角度出发,给出定量指标。对于波浪在逆向水流中极易出现的破碎现象和破碎指标,结合试验资料,文中也作了探讨。而波浪遇斜向水流后的波要素变化,则主要通过理论计算,給出计算公式。     

波浪剩余动量流垂向分布研究

将垂向考察区域分为波谷以下部分、波谷至平均水面部分以及平均水面以上部分,应用线性波理论,分段推求波浪剩余动量流沿水深分布函数.建立任意波向角时波浪剩余动量流各分量的计算表达式,给出深水及浅水条件下的渐近表达式,探研波浪剩余动量流的垂向分布情况.取波向角为30°分别计算深水、过渡水深及浅水条件下波浪剩余动量流的垂向分布.结果表明:波浪剩余动量流各分量沿水深并非均匀分布,而且各分量分布情况不尽相同;从波面到海底,存在反向变化的现象;浅水条件下,波谷以下部分所占比例相当可观.计算成果与实测资料和研究分析结果是一致的.     

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。     

波浪与外壁透空双筒柱的相互作用

对于波浪与透空外壁同轴双筒柱的相互作用问题,利用速度势的特征函数展开式和透空壁内流体速度与两壁间压力差成正比的线性模型,建立了一个线性解析解。应用这一模型开展了数值实验,用以检验孔隙系数和透空部分大小以及内外柱径之比对双筒柱上波浪力和波面高度的影响。计算结果表明,外壁孔隙系数和透空部分大小对波面升高和波浪荷载有很大影响,通过调整各个系数,应用双筒透空柱可以减小周围的波面高度及其上的波浪荷载。     

正交曲线坐标下Boussinesq方程的初步研究

从质量守恒方程和Euler方程出发,推导出包含底摩擦耗能、波浪破碎效应和亚格湍流效应的改进型Boussinesq方程,并对该方程以及边界条件进行了正交曲线转换;建立了正交曲线坐标系下的二维波浪模型并用实验地形对该模型进行了验证,计算结果与实测数据吻合很好,这说明该模型可以较好地模拟波浪传播过程中的浅水变形、折射、绕射和反射等现象。     

孤立波破碎过程试验与数模结果比较

进行了孤立波在缓坡上的变形，破碎及破碎后的波浪对直墙建筑物冲击作用的试验研究并与ＶＯＦ方法的数模结果进行比较，试验中的地形由１：４、１“５０的斜坡及水平段三部分组成，数模得到的波浪在破碎前后的变形过程及波浪破碎位置与试验结果符合较好，直墙面上的破碎波冲击压力幅值的数模结果与试验结果基本相符。     

基于两相湍流珊瑚礁地形的波浪数学模型

珊瑚礁地形的波浪非常复杂,礁坪破碎后的波浪对礁体、防波堤等影响很大。为了更好地了解珊瑚礁地形下规则波的传播变形特征,文中基于雷诺平均的纳维埃-斯托克斯方程建立了珊瑚礁地形上的波浪数学模型,其中湍流模型采用两相的k-ω SST方程,数值模拟在OpenFOAM开源工具中进行。本模型通过文献中的物理实验数据进行验证,分析了珊瑚礁地形上的波高、增水和波面形态变化,并与标准k-ω SST模型的结果进行比较,结果表明:文中模型能有效减轻自由表面附近过度产生的湍流动能,波高和增水的模拟结果相比标准k-ω SST模型的更加准确;波浪在珊瑚礁地形上破碎时破波区的湍流动能主要集中在波峰附近,波谷的湍流动能则很小;在湍流动能的影响下,模型在破碎点处的波高减小、减水增大,破碎后的波能耗散增大。文中波浪数学模型可应用于珊瑚礁工程设计的波浪计算中。     

珊瑚礁地形上胸墙波浪力大水槽试验

基于大比尺波浪水槽试验,开展了珊瑚礁地形上的波浪与斜坡堤相互作用试验。在不同水深和波浪条件下测量斜坡堤胸墙的水平力和浮托力,并与规范值进行对比。试验结果表明:胸墙的波浪力受波浪破碎后的堤前壅水、破碎波高和水流冲击的共同影响;胸墙水平力呈矩形分布,浮托力呈三角形分布;由于波浪在珊瑚岛礁上传播过程中的能量耗散,平均水平力和前趾浮托力试验结果均小于采用深水波要素计算的规范值,所提出的基于胸墙距礁缘的相对距离和礁盘上相对水深的波浪力修正系数,修正后的公式计算结果与试验值吻合较好。     

细砾质斜坡海床上波浪的传播特性试验

为了解波浪在渗透性良好的斜坡海床上的传播演变机制,在水槽中开展细砾质斜坡海床上波浪传播特性试验,研究海床土体孔隙水压力响应特征、波浪在斜坡海床上发生浅水变形区域内波浪近底水平流速特性以及波浪在可渗透斜坡海床上的传播演变特性。试验结果表明:海床中超静孔隙水压力随着波浪波高和周期的增大而增大;近底水平流速随着波浪浅水变形程度的增加而增加;波浪厄塞尔数越大,斜坡上波浪浅水变形越明显,各谐波之间的波-波相互作用越剧烈;在浅水变形初段,海床渗透作用大于波浪浅水变形作用,在浅水变形剧烈区域,波浪浅水变形作用大于海床渗透作用。     

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.     

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。     

辐射沙洲地形条件下的工程设计波浪要素推算

针对目前辐射沙洲等复杂地形下的波浪传播变形数值计算还不太成熟的现状，采用两种方法推求设计风速并确定外海深水波浪要素，进一步建立了复杂地形条件下考虑底摩阻及局部风影响的浅水波浪折射、绕射变形数学模型，并计算了某一拟建工程地点不同重现期的波浪要素.     

波浪崩破时的能量损失

首先通过实验测量和理论计算得到波浪崩破时的速度场，然后根据该速度场利用ＶＯＦ法计算波浪破碎后的波高值；计算结果与实验值吻合较好．另外，利用涌潮模型计算了波浪的破碎系数Ｂ，结果发现在实验范围内该系数接近于一常数．     

港口内靠码头系泊船波浪力时域模型

为进行港口内靠码头系泊船波浪力的时域计算,提出了一种耦合数值方法。用包含船体的矩形柱面将整个港口区域划分为船体表面与柱面所围区域(内域)和柱面与整个港口边界面所围区域(外域)。内域流动由三维NavierStokes(NS)方程控制,通过VOF方法数值求解和描述其自由表面;外域流动由二维浅水波模型——改进的Boussinesq方程控制,应用有限差分三对角矩阵算法(TDMA)快速求解。内域解和外域解通过速度/压力和波面连续的匹配边界条件联系起来。应用所建立的NS/Boussinesq耦合模式同步和高效率地获得了港内波浪变形、系泊船附近三维流场、船表面波压力分布和波浪荷载。     

二层流体中透空大直径桩柱的波浪特性分析

 采用典型的海工结构物——大直径垂直圆柱研究层化海洋中波浪对透空结构物的绕射作用。通过分析二层海洋条件下边值的匹配问题,利用特征函数法提出内、外流场流体绕射势解析解,并在二层海况下计算透空圆柱所受水平波浪力及柱内、外的自由波面波浪爬高。计算结果分别与均匀海中透空桩柱和二层海中非透空桩柱的相应结果加以比较,分析得出在层化海洋中结构物的透空性对减弱波浪力和波浪爬高有很大影响。     

河口海岸水动力非静压数学模型研究述评

在回顾非静压模型发展历程的基础上,概述了其基本方程、常用的数值计算及网格设置方法。针对非静压模型计算效率低的问题,综述了现有3类提高计算效率方法的优缺点。分析了非静压模型与静压模型在控制方程和数值方法方面的差异,归纳了非静压模型在近岸波浪传播变形以及河口斜压问题的应用情况。已有研究表明,非静压模型在近岸波浪传播变形、波浪与建筑物相互作用以及河口盐淡水混合的模拟研究中具有优势。但在计算效率、边界条件、浅水非线性、波浪破碎和实际应用等方面还存在需要解决的问题,针对这些问题提出了今后的研究方向。     

浅海非线性随机波浪的谱特性分析

应用非线性谱分析理论推导及数值计算方法，对晨线性随机波浪的谱特性进行了分析，首先将波面方程，海水质点的速度及加速度分解成一阶和二阶分量，通过引入Ｈｅｒｍｉｔｅ多项式，得到了波面方程与其一阶分量的自相关函数之间的关系，从而确定了一阶波面分量的谱密度、进而得到了速度谱及加速度速密度。