浅水不规则波的无网格数值模拟

采用基于配点和径向基函数的无网格数值模拟方法,建立数值海洋工程水池,将源点布置在模拟波浪场之外,沿边界布置配点而不是划分网格;对深水不规则波经斜坡过渡后在均匀水深浅水域中传播的过程进行无网格数值模拟和波谱的迭代修正.不规则波的数值模拟结果显示,该方法形式简单、计算速度快、稳定性好.经物理水池的造波实验验证,波浪谱、波浪参数、波浪时历都与实验结果吻合良好,并具有浅水波特征,最终模拟得到的浅水不规则波令人满意.     

椭圆余弦波作用下考虑桩身振动的桩-土相互作用

针对海洋中浅水区域的单桩基础,建立了包含波浪、海床和单桩的三维数值模型,考虑浅水环境中椭圆余弦波与海洋风浪引起的桩身振动的共同作用,研究了桩-土耦合系统的动态响应问题.其中,波浪模型的椭圆余弦波采用Navier-Stokes方程控制,海床模型视为各向同性的多孔介质,并采用Biot方程模拟土体与孔隙水的动态响应,单桩视为可变形弹性体,并引入周期性的水平位移来模拟桩身振动.同时,在验证模型准确性的基础上,分析了椭圆余弦波作用下桩身位移、桩周的海床孔隙水压及海床液化等变化情况,并对波浪及海床的主要特性参数进行了分析.结果表明:桩身振动会导致桩顶区域的海床孔隙水压出现局部变化,并使孔隙水压沿海床深度方向的减小趋势变缓;波浪与海床的特性参数对孔隙水压的分布影响显著.     

潜堤上波浪分裂现象的数值分析

为研究潜堤附近水波变形现象,建立了一个模拟该现象的数值方法。基于势流理论的基本方程,其中入射波浪的生成基于域内源造波方法,无反射边界采用海绵层消波加辐射条件的处理方法。垂向采用σ坐标变换,可保证自由表面和底面边界的"精确"满足,同时便于有限差分法的应用。使用该模型对二个已有的物理模型实验进行计算,比较了长波和短波越过潜堤时波浪变形特性的异同。计算所得潜堤前后不同位置处的波面与实验结果吻合较好。结果表明:该模型能很好地模拟坡度不同的潜堤前坡上高次谐波的产生和堤后波浪分裂现象,可用于求解二维强非线性势波问题。     

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.     

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。     

规则波在陡坡潜堤上传播变形的数值模拟

为考察缓坡假定条件下给出的水波方程在陡坡潜堤上的适用性,对一组双层Boussinesq型水波方程建立有限差分的计算模型,数值模拟波浪在两边坡坡度均为1:2的梯形潜堤上的传播过程,并将计算的波面位移、各次谐波波幅与文献梯形潜堤实验数据进行对比.结果显示,二者吻合程度较高;同时,数值模拟的波面位移与实验数据的重合度超过0.99,表明该计算模型具有优良的线性与非线性性能.以上结果表明,该模型可适用于精确模拟坡度不大于1:2的潜堤上非线性波浪的传播变形.     

水深对超大型FPSO水弹性响应的影响

结合三维势流理论和有限水深复合格林函数,计算了浅水超大型浮式生产储油系统(FPSO)水弹性响应.该方法首先实现有限水深复合格林函数及其偏导数的数值算法,将其根植于三维势流理论中,形成了用于浅水海洋浮式结构物三维水弹性分析的方法.本文对一艘浅水超大型FPSO进行了数值计算,计算结果表明,船体的振动效应对不同波浪载荷产生不同的影响.     

基于光滑粒子方法的推板式波浪水槽实验研究

波浪数值水槽是波浪研究方面的一个十分重要的实验装置。目前针对造波水槽所展开的数值或实验研究,多将造波系统的设定参数作为波浪的参数,而未考虑设定参数与实际参数之间的误差。本文利用推板造波的实验装置进行造波,并借助视频拍摄来捕捉造波板的运动,而波浪参数则由波高仪的数据采集来得到。推板造波的过程,则用光滑粒子方法来进行数值模拟。造波过程中,造波板的运动同样采用实测的参数,并计算了不同时刻的波形曲线和水面高度随时间的变化。光滑粒子的模拟结果与实验结果比,吻合的非常好。     

基于Harmonic Polynomial Cell方法的孤立波碰撞数值模拟

二维Harmonic Polynomial Cell (HPC)方法是一种高精度、高效率地求解拉普拉斯方程的数值方法,可以用于模拟波浪与波浪之间、波浪与海洋结构物之间的相互作用.本文基于HPC方法、重叠网格法以及Goring造波方法建立了模拟活塞式推板造波的二维全非线性数值波浪水槽,对孤立波的对撞现象进行了数值模拟,给出了等波高和非等波高孤立波的碰撞爬升结果以及撞后空间相位的变化规律.对于波幅为0.4的等波高的孤立波碰撞,数值结果和实验结果对比非常出色,从而验证了HPC方法应用于孤立波碰撞问题研究中的准确性.文章分析了在有关的实验和数值模拟中得到的结果与三阶理论解之间存在差别的原因.数值结果表明,碰撞的最大爬升波高大于初始孤立波波高之和,碰撞后的相位差在碰撞中点处较大,远离碰撞中点时趋于稳定.     

作用于透空圆环墩柱的浅水波绕射波浪力与波浪渗流力

透空结构具有降低海浪作用的功效。该文基于椭圆余弦波一阶分量的浅水波理论和Biot渗流固结理论,分别推导了浅水区固立于可渗透弹性海床上透空圆环墩柱的绕射波浪压力以及由波浪所致海床内渗流压力的数学解,并据此对墩柱所受绕射波浪力与力矩以及渗流浮托力与倾覆力矩进行了实算。结果表明,海况条件和结构参数的变化对波浪所引起的各种载荷存在不同的影响效应,波浪渗流力与波浪直接作用可能具有相同量级。圆环柱外表面的可渗透性对浅水波的直接波浪作用具有明显的减弱效应,而对渗流倾覆力矩也具有一定的减弱效应。此外,圆环墩柱内外柱半径比存在优化取值,以使墩柱达到减载和稳定的双重效果。与Airy波浪理论计算结果相比,浅水波理论的结果能有效反映水波非线性因素的可能影响。     

滨海盐沼植物种子扩散过程对潮流阻断的响应机制

滨海盐沼湿地中,种子扩散模式主要由潮汐作用决定,在潮汐沿高程梯度的运动中形成了种子流。滨海围垦活动可以直接影响到盐沼湿地的潮汐作用,进而造成盐沼湿地中种子扩散模式的变化。本研究对不同高程盐沼湿地的种子流通量进行调查,阐明了潮流干扰下盐沼湿地中植物种子扩散模式的响应机制。本研究发现在潮流驱动下,低位盐沼和中位盐沼的种子将会向海陆两端迁移,低位盐沼上部是重要的种子源区,中位盐沼下部成为了种子汇区。而高位盐沼的围垦活动将会改变盐地碱蓬种子扩散模式。中位盐沼下部的种子扩散模式受到的影响最为严重。围垦活动占据或破坏高位盐沼之后,中位盐沼下部将由种子的汇区变为源区,大量的种子净流出将给该区域盐地碱蓬定植造成潜在威胁。      

Geomorphic and hydrodynamic responses in salt marsh-tidal creek systems, Jiangsu, China

Salt marsh-tidal creek systems as a coastal geomorphological unit represent an important natural resource. The present study on Jiangsu salt marshes, eastern China, shows that variations in tidal current velocities in salt marsh creeks are controlled by the local tidal wave characteristics and the bed slope and elevation of the salt marshes and creeks. Likewise, the tidal currents modify the geomorphology of the salt marsh-tidal creek systems by transporting sediments and causing erosion/deposition. Storm events, which appear to have cyclical changes in their intensity relating to sunspot activities, can affect the geomorphic evolution of such systems. Further, in response to accelerated sea-level rise, accretional rates on salt marshes may increase. The tidal creeks have the function of transporting water and sediment onto the salt marsh surface; further, the energy of tidal currents and waves are dissipated within the salt marsh-tidal creek system. Hence, this coastal system has a potential value for coastal protection.     

波浪在近岸水域传播变形特性研究

波浪传播到近岸水域会发生浅水变形。为研究波浪在实际地形中的传播变形规律,本文根据特马港物理模型试验实测资料,采用MIKE 21之BW模型计算结果与之验证,结果吻合良好。在此基础上研究了波浪在近岸水域传播过程中总波高和内部锁相长波波高的沿程变化规律,以及波长、水位、有效波高、摩阻等对近岸波浪传播变形的影响。得出结论如下：不同波长的波浪在浅水中均发生明显浅水变形,波长、水位、摩阻均对浅水变形有显著影响;浅水中波浪之间非线性作用显著,内部锁相长波波高明显增加,且波长、波高、水位均对其影响较大。     

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。     

一类特征波传播方程的数值解

本文在小振幅波及缓变海底的假设下对两种不同形状的区域给出了浅水海浪传播方程的差方方法，得到了区域的波高和波向的数值解。     

波浪在变深区的向岸传播

基于非线性长波方程,除在开边界对幅射波进行了线化处理外,还对局部波数(波长)、局部相位以及入射波速进行了修正。以圆柱绕射、斜坡底折射和波浪向岸传播为实例进行了计算。结果表明:对于波向变化、破波位置及波幅变化诸方面其计算与经验是一致的。因此本文的工作拓宽了非线性长波方程的适用范围,而且为应用Boussinesq方程研究浅水波变形打下了基础。     

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.     

深水Boussinesq方程数学模型建立与验证

通过引入四参数和非线性浅水方程至Kennedy等人推导的二阶全非线性Boussinesq方程中,改善了原方程的色散和变浅性能,并通过新方程建立适合较深水域的近岸波浪场数学模型,模拟了椭圆形浅滩地形上的波浪传播变形,从数值结果和试验结果的比较上看,该模型可以很好地模拟近岸波浪场的实际问题。     

苏北沿海互花米草入侵盐沼自然移除外源苯乙烯的特征研究

恶臭气体苯乙烯在环境中的长期暴露可致人体产生黏膜与眼睛刺激以及肠胃功能紊乱,甚至产生疼痛、疲劳、乏力、抑郁和神经病变,严重地危害着人体的健康.分别于生长季(2004年7月)和非生长季(2005年1月)在苏北海岸带盐沼沿环境梯度采用静态箱技术原位测定苯乙烯通量.结果表明:研究区大气中苯乙烯的浓度接近于国家规定的厂界污染源排放的最大允许值,在由海向陆的梯度上,大气中苯乙烯的浓度变化表现为近陆海点高而远陆海点低,由此推断,本区大气中苯乙烯主要源自沿海化学和石化工业排放以及外海苯乙烯的大气、潮水和潮流的横向输送;海岸带盐沼生态系统中,盐沼植物和土壤对外源苯乙烯的自然移除是苯乙烯的重要汇,盐沼对苯乙烯的自然移除能力具有显著的季节和空间变化性,并具有显著的物种依赖性.高等植物对苯乙烯的自然移除能力可能与高等植物生物量、叶面蜡质含量以及气孔丰度有关.而土壤对苯乙烯的自然移除能力可能取决于土壤温度、孔隙度、有机质含量、全氮含量以及可溶性盐总量.互花米草的入侵并没有增加海岸带盐沼对苯乙烯气体的自然移除能力,没有显著的增汇效应.