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.     

岛式防波堤波浪绕射的数学模型

岛式防波堤是常用的一种防波堤型式.因此研究岛式防波堤的波浪绕射问题具有理论意义和实用价值.我国1978年颁行的"港口工程技术规范"尚缺岛式防波堤的波浪绕射计算方法.本文采用单源点法,结合岛式防波堤的边界条件建立了求解岛式防波堤二维波浪绕射的数学模型并编制了ALGOL语言和FORTRAN语言的计算程序.模型假设波浪为线性简谐波;水域为等水深或水深变化很小,折射影响可略而不计.曾与园柱绕射的解析解进行了验证,并与M. Stassnie等人采用Mathieu函数求得的岛式防波堤绕射结果以及合田良实等人的精确解、近似解和物理模型试验成果进行了比较,结果令人满意.本模式已应用于连云港的岛式防波堤的波浪绕射计算.     

T型浮式防波堤水动力特性的数值模拟研究

为提升浮式防波堤的消波性能,提出一种T型浮式防波堤.首先基于数值模拟方法,建立了波浪与T型浮式防波堤作用的数值模型,然后分析了波浪作用下T型浮式防波堤的吃水深度、腹板高度和浮箱宽度分别对透射系数、锚链受力及波压力分布影响,最后结果表明在相对宽度为0.48时,防波堤腹板高度为0.35m时的消波性能相对于无腹板可以提升76...     

基于波能量平衡方程模拟波浪在柔性植物区的传播与变形

基于CMS-Wave波浪数学模型,通过在其波浪能量平衡方程中引入植被波能损耗项,并考虑了波浪的折射、反射、破碎、波流相互作用及底摩擦等作用,计算了有植被作用下的波浪传播与变形.该模型的求解以波能平衡方程为基础,采用有限差分法进行数值离散,并应用Gauss-Seidel迭代法计算离散的方程组,得到计算域的波高、周期以及波向等波浪要素信息.首先通过模拟一维简单地形和二维复杂地形的波浪传播,对模型的适应性及有效性进行评估;随后对不规则非破碎和破碎波浪在柔性植物区的传播变形进行模拟,计算结果表明,修正的CMS-Wave模型能够精确地计算植被影响下波浪在复杂地形的传播与变形,这可对近一步研究近海湿地植被的消波效应及湿地海域极端风浪的防灾减灾提供技术支撑.     

直立式透空防波堤周围非线性波浪传播的数值模拟

基于改进的Boussinesq方程的数学模型,对非线性波浪在透空式防波堤周围的波浪变形进行了数值模拟.实例实验证明,该模型可对非线性波浪在透空式防波堤周围的波浪变化作出准确的预测,对透空式防波堤工程有一定的参考价值.     

地震和波浪共同作用下斜坡式防波堤的动力响应分析

对于斜坡式防波堤而言,结构动力响应分析是研究结构抗震性能的主要方法。由于斜坡式防波堤在地震作用的同时会受到波浪的作用,所以对斜坡式防波堤的地震响应分析需考虑地震和波浪的共同作用。利用ABAQUS有限元软件建立了相应有限元模型,通过对比验证了模型的正确性。对斜坡式防波堤在地震和波浪共同作用下的动力响应进行了仿真研究。研究结果表明:地震和波浪共同作用与单独地震作用相比,对斜坡式防波堤结构的竖向残余变形的影响显著。其中,波浪的存在将对斜坡式防波堤结构竖向残余变形造成不同程度的影响。     

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.     

波浪在渗透海床上传播的数学模型及其验证

通过引入考虑可渗海床影响的阻力方程,将一组高阶Boussinesq水波方程拓展到可适用渗透海床的情况.在不同厚度介质情况下对新方程进行了理论分析,并将结果与解析解比较,讨论了方程的相速度及衰减率的精确度.在非交错网格下离散该方程,建立了基于高精度有限差分方法和预报-校正时间积分格式的一维数值模型.其中,在预报中采用三阶Adams-Bashforth格式,校正中则采用四阶Adams-Moulton格式.利用所建立数值模型,对渗透潜堤地形上的波浪传播变形进行了模拟,将数值计算结果与相关试验结果进行了比较分析,证明试验结果与数值结果吻合较好,说明这种改进方法是可行、有效的.     

单源点法求解单突堤波浪绕射的数学模型

单突堤是常用的一种防波堤布置型式.本文将数理方程中的单源点法与水面波动理论相结合,在研究双突堤波浪绕射模型的基础上,提出了单突堤的波浪绕射模型.通过计算分析,论证了假想有效口门宽度的取值,既保证了计算的精度又节省了计算时间.所提出的二种模式计算简便,经济效益显著.二种单突堤波浪绕射数学模型均可供港口规划设计工作采用.     

解弹性体振动方程的几个差分格式

本文对弹性体振动的模型方程??=-a~2??提出几个差分格式.其中隐格式每计算一个时间层只需解一三对角线方程组,而半隐格式却可利用边界条件显式地计算,且所有格式均是无条件稳定的.     

龙凤头海滩修复工程与波流动力响应特性

基于MIKE 21软件建立平潭龙凤头海滩修复工程海域双重嵌套二维潮流和波浪耦合数学模型,并将验证后的模型运用到工程设计方案实施前后潮流场及波浪场的模拟,比较分析水动力的变化.研究结果表明:平潭海域潮汐类型属于正规半日潮,8月大潮潮差约为5m,潮汐强;海坛湾内潮流总体表现为往复流特征,湾口流速最大,湾内流速较小,湾顶流速最小;北端防波堤大大减少了南北水体交换,内侧落潮流调整为沿堤流;堤头处挑流作用明显,流速增加,形成明显的旋转流;南北端防波堤对其内侧一定范围海域有掩护作用,波高削减显著,受掩护岸线长度略大于防波堤长度;堤头处受波浪折射作用影响,波能辐聚,波高增大.工程后海滩中部岸段波高及流速削减不明显,建议增设离岸堤加强海滩保护.     

任意反射率边界条件的港湾波浪绕射数学模型

天然港湾或人工筑港的边界不论形状还是反射条件往往是复杂的。现有的港口波浪绕射的计算模式常简化为单突堤、双突堤和岛式防波堤等简单布置型式而略去港内码头等其他岸线复杂边界的反射影响,因而仅是粗略的。复杂边界的港口波浪绕射多藉助于物理模型试验。本文介绍采用单源点法求解具有任意反射率边界条件的港湾波浪绕射的数学模型。该模型已用于广东大亚湾核电站港内泊稳条件的数值计算,计算结果与物理模型试验结果吻合良好。     

二维溃坝波传播的数值模拟

采用附加人工粘性的显式Maccormack格式求解二维浅水方程,并对人工粘性加上开关函数,建立了模拟大坝瞬间局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。用该模型预测了矩形河道中堤坝瞬间局部溃倒后8 min的洪水演进过程,得出了水面线和流场分布,并对溃坝洪峰到达时间和最大淹没水位的沿程分布作了分析。     

圆弧型浮式防波堤防浪效果的解析研究

给出了圆弧型浮式防波堤防浪效果计算的解析方法.假定防波堤刚性垂直薄壁、空间固定和水深恒定.假想存在一个圆柱面,把流场划分为内外区域,在每个区域上将速度势用特征函数展开,然后在它们的公共边界上进行衔接.衔接的原则是公共边界上速度连续、压力连续,从而可得到关于未知系数的一组线性代数方程组,解出未知系数,即可求得流域中任意一点的速度势和波高.数值结果给出了不同入射波波长及防波堤不同垂向沉深时防波堤周围波幅的等高线图.结果表明,圆弧型浮式防波堤的防浪效果与入射波波长和防波堤的垂向沉深密切相关.     

对流扩散方程的高精度多步显式差分格式

为提高对流扩散方程的显式差分格式的数值计算精度和效率,提出了一种新的高精度多步显式格式.空间坐标按高精度差分法离散,时间方向作数值积分,给出几种不同的差分格式.利用精确解给出初边值条件,利用Matlab软件编程求出数值解,并与加罚C-N格式的数值解做了比较,数值结果表明,该格式具有精度高且可以进行长时间稳定计算的优点.     

求解Nwogu扩展型Boussinesq方程的一种准确有效的方法

在时间层次上采用一种有效的高精度预报－校正方法，而在空间层次上则对加速度分量采用了线迭代的交错格式，给出了一种求解扩展型Boussinesq方程的有效方法，用有实验的3个算例，验证了数值方法，数值结果与实验结果相当吻合。     

波浪在V形贯底式防波堤上绕射的解析研究

给出了V形贯底式防波堤对波浪绕射计算的解析方法．假定防波堤刚性、薄壁、不透浪,水深恒定．假想存在一个圆柱面,把流场划分为3个区域,在每个区域上将速度势用特征函数展开,在它们的公共边界上进行匹配．匹配的原则是公共边界上速度、压力连续,得到关于未知系数的一组线性代数方程组,解出未知系数,即可求得流域中任意一点的速度势和波高．通过与已有的平直岛式防波堤绕射解析解比较,说明该方法是正确可靠的．数值结果给出了不同入射波频率及防波堤两臂不同张角时防波堤周围波幅的等高线图．结果表明：V形贯底式防波堤具有很好的防浪效果,通常情况下,掩护区域内的波高仅为入射波波高的20％～50％．     

一类四阶波动方程的有限差分法

研究了一类四阶非线性耗散、色散波动方程初边值问题的有限差分解法。对求解方程构造了一个三层隐式差分格式,消除了显格式的稳定性对计算步长的严格限制,使之适用范围更广,并用能量估计的方法严格证明了差分格式的收敛性与稳定性,该格式对于时间和空间均具有二阶收敛性。最后给出了一些数值结果,验证了理论分析的正确性。     

短峰波与圆弧型贯底式多孔介质防波堤相互作用研究

将比例边界有限元法(SBFEM)推广到短峰波与圆弧型贯底式多孔介质防波堤相互作用研究中.将圆弧延伸构建一个虚拟圆柱面,对于圆弧段与圆弧延伸段,分别采用不同的孔隙影响系数.该圆将整个流场划分成一个无限子域和一个有限子域,并利用变分原理在各个子域上推导了SBFEM的基本方程.然后,SBFEM针对无限域和有限域分别采用汉开尔函数和贝塞尔函数作为基函数来求解对应域的解,并在公共圆边界处加以匹配.数值计算验证了该方法是一种利用很少单元离散虚拟圆便能得到精确结果的高效方法.进一步给出了不同波向入射、相对波数、防波堤不同孔隙影响系数、不同张角等参数对防波堤波浪荷载、波浪爬升的影响,这为该类防波堤水动力分析和结构设计提供了有价值的参考.     

可透浪斜坡式防波堤透浪系数对入射波要素的响应

针对实际工程中的可透浪式斜坡式防波堤结构,在不考虑越浪的情况下,通过物理模型和数值模拟试验相结合的方法,对斜坡式防波堤的透浪特性进行了分析研究,讨论了斜坡式防波堤透浪系数与堤心石粒径、相对堤身宽度等堤身参数以及透浪系数与入射波高、入射波周期和波陡等入射波波要素之间的关系,根据试验结果分别提出了规则波和不规则波作用下不越...