沿岸流的模型实验和数值模拟研究(英文)

研究了两个缓坡海岸（坡度为1：100和1：40）上沿岸流、波高及波浪增减水的模型实验方法和数值模拟方法,给出了沿岸流速度、波高和波浪增减水沿海岸剖面的分布,并且对沿岸流的实验模型方法进行了讨论。给出了沿岸流的数值模拟方法和结果,与实验结果进行了比较。     

孤立波通过透水潜堤水动力特性试验

基于波浪水槽试验,对孤立波通过潜堤的传播变形、透射系数和波浪爬高开展研究,分析了潜堤消浪效果、波浪爬高与相对堤顶水深和潜堤透水率的关系．研究结果表明,在相同透水率的条件下,透射系数随着相对堤顶水深的增大而增大．波浪爬高明显随着入射波高的增大而增大,并且成线性趋势,在同一透水率下,波浪爬高随着堤顶水深的增大而增大．     

随机波浪丁坝反射叠加形成的裂流实验

为研究随机波浪遇丁坝反射形成的裂流的特征,进行了沙坝地形丁坝反射所形成的叠加波浪生成裂流的实验.研究结果表明,沿岸一致的沙坝地形使得所形成的裂流主要受控于沿岸周期性变化叠加波浪.裂流的驱动力主要取决于节腹点之间的平均水面沿岸压力梯度,而节腹点波高差异形成的沿岸辐射应力贡献很小,驱动力的量值与范围受到波浪周期的影响.裂流...     

缓坡平均沿岸流速度分布拟合研究

沿岸流对沿岸输沙和近岸物质输移扩散等有重要影响,研究沿岸流分布具有重要的现实意义。基于1:100坡度缓坡沿岸流实验结果,利用Matlab拟合工具箱,分别采用Rational和Gauss拟合曲线以及自定义的Allen拟合曲线对实验不同波高和不同周期作用下的平均沿岸流速度分布进行了拟合分析,结果表明:缓坡1:100平均沿岸流最大值近岸一侧呈下凹趋势,3种曲线均能较好地拟合平均沿岸流速度分布,不过与其他2个函数相比,Allen拟合曲线较为平滑且函数形式较为简单,能更好的应用于工程实际。     

波浪在岸滩上的变形模拟

通过理论分析和波浪水槽模型试验,对波浪破碎区由床面阻力和波浪破碎所引起的能量损耗进行了分析。建立了岸滩波浪变形模型,并通过波浪水槽试验进行了验证。对水深、周期、岸滩底坡等条件下的波浪破碎区波高分布和增减水量的分析比较表明,模型计算和波浪水槽试验结果吻合程度良好。该模型可以有效模拟波浪在破碎区的增减水和波高分布,并为相关工程设计提供参考。     

用Boussinesq方程计算沿岸流的数值方法

为解决复杂情况下近岸破波区波浪破碎后的沿岸流计算问题,提出一种基于Boussinesq波动方程的统一的波、流数值计算模式.在数值实验中,为消除数值计算中侧向边界对沿岸流纵向分布的影响,提出了数值水泵加缓冲区的边界处理方法,获得了较均匀的沿岸流纵向分布.运用Visser的沿岸流实验实测资料验证了所提模型的沿岸流、波高和平均水位计算结果.通过对比分析发现,波动条件上下阻力公式用于沿岸流计算时,给出的沿岸流结果虽峰值略偏小,但大致相符.     

潜堤对海啸波作用下岸滩剖面变化影响试验

基于波浪水槽试验,对潜堤能否有效减少海啸岸滩冲刷问题开展研究。选取孤立波作为入射波,考虑不同潜堤位置和堤顶水深情况,同时选取没有修建潜堤时海啸岸滩变化试验结果进行对比分析。实验对波高、流速、地形变化以及孤立波的上爬、回落等全过程进行测量和记录。研究结果表明,潜堤的修建并不能有效减少海啸对岸滩的冲刷,仅能改变淤积沙坝的高度和位置,且会造成潜堤离岸侧局部略有淤积,向岸侧会出现明显的局部冲刷坑。潜堤位于水跃发生区域时,对减小岸滩淤积沙坝高度效果最为明显。保持堤顶水深不变,减小潜堤的离岸距离,对减少最大局部冲刷深度效果更为明显。     

斜坡床面潜堤作用下的波浪传播变形

以斜坡上梯形潜堤为研究对象,在波浪水槽实验的基础上,分析斜坡上潜堤对规则波和椭圆余弦波传播变形的影响．通过分析潜堤前后波面的变化情况来研究波浪外观形态的改变,利用谱分析来研究波浪内部能量的改变．研究结果显示,由于斜坡床面潜堤的浅化作用,波浪不对称性加剧,波能在潜堤处急剧衰减．     

透空式防波堤在渔船避风港中的综合研究

采用波浪断面物理模型测定中咀湾渔船避风港透空堤断面透浪系数及堤后不同距离有效波高,分析挡浪板入水深度与透浪系数及有效波高的关系,提出了合理的透空堤断面尺寸。采用MIKE21 BW模块数值计算透空堤堤后水域波高分布和渔船泊稳面积,论证透空堤口门大小与泊稳面积之间的关系,探讨透空堤整体防浪掩护效果。     

莺歌海离岸码头接岸方式对岸滩演变影响研究

依据海洋站多年波浪观测资料,采用波能平衡波浪数学模型与沿岸输沙公式相结合的方法对莺歌海离岸码头接岸工程实施引起的沿岸输沙量变化及岸线变形进行计算研究。计算结果表明,离岸码头接岸结构采用实体引堤将会切断沿岸堤两侧输沙通道,使得两侧岸滩沿堤以不同速率向海淤涨,破坏了附近天然沙滩的自然稳定状态,不利于海岸线的保护;当码头接岸结构调整为透空结构后,工程区海岸线变化幅度较小,有利于维持岸滩稳定。     

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.     

海域水动力对老虎石海滩养护响应关系分析

老虎石海滩的海滩养护工程包含三段滩肩补砂和两个吹填的水下沙坝式潜堤.采用软件Mike 21建立老虎石2维潮流和波浪数学模型.根据2011年水文波浪实测资料对数学模型进行了验证和计算效率评价,评价结果表明计算的潮位和潮流过程与实测值吻合较好,精度较高.重点研究了海滩养护对其近岸区域潮流和波浪的影响,得到沙坝坝身处是流速、波高变化最大的位置,受动力作用影响最大.吹填沙坝因波浪增高掀沙、潮流挟沙输运,可为其后方的海滩提供沙源补充.近岸区域潮流动力较弱,波浪变化较小,采用人工补砂和水下沙坝式潜堤双重整治的海滩养护工程对海滩上人工养护泥沙的保存非常有利.     

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。     

波浪作用下空心块体堤身结构稳定性和消浪特性试验研究

为了研究波浪作用对空心块体稳定性与消浪效果的影响,依托长江口南槽航道治理一期工程,开展了系列水槽试验,分析了不同波浪要素(波高、周期)、水深和结构组合方式对空心块体堤身结构的稳定性、波浪力及结构前后波高的影响.结果 表明:在淹没状态下,空心块体主要受动水压力的作用,且试验水深越浅,空心块体所受到的最大波浪力越大,消浪效果越好.结构组合方式对空心块体的稳定性和消浪效果的影响不明显.不同位置的空心块体所受到的波浪力的大小不同,迎浪侧方块所受到的波浪力最大,背浪侧方块次之,中部方块最小.但空心块体总体受力较小,这有利于堤身结构的局部稳定.     

叠加波浪有槽缓坡沙坝地形裂流试验

进行了有裂流槽缓坡沙坝地形下,由反射壁反射的交叉叠加波浪形成的沿岸波高周期性变化所产生的裂流试验研究.试验中波浪场由斜向入射波浪在反射壁上的反射波和入射波交叉生成,交叉波浪是具有等波幅和等频率但入射角相反的两列规则波波列.通过对交叉叠加波浪下裂流槽附近范围的波浪场和流速场测量分析了有裂流槽缓坡沙坝地形情况下的裂流特性.通过不同周期引起的叠加波浪节腹点位置的变化,分析了不同周期对裂流槽中裂流的影响,表明在裂流槽地形下裂流受到周期和裂流槽的共同影响.     

波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床中孔隙水压力响应

利用波浪水槽试验,对波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床的孔隙水压力响应进行了研究．试验中观测了在不同波高、周期、水深和泥沙粒径等条件下,自由底床和有抛石基床防波堤的土体孔隙水压力的变化．试验结果分析表明,随着波高和周期的增大,孔隙水压力幅值增大;随着水深的增大,孔隙水压力幅值减小．建堤后,底床中的孔隙水压力会增大,有效应力会降低,对防波堤的稳定性会造成严重影响．同时试验结果也表明,把基于Biot固结理论的多孔弹性介质模型用于研究波浪作用下海床的动力响应是合理的．     

射阳海岸带修复工程效果数值模拟研究

近年来受黄河三角洲区域侵蚀影响，射阳海岸带湿地面积急剧减小，急需开展生态整治修复工程.应用河口海岸潮流泥沙数值模拟系统，计算分析项目建设前后海洋水文动力和泥沙冲淤环境改变，并通过物模试验进一步验证海床冲淤情况.模型计算结果表明项目建设后，潜堤两侧流速及堤后波高也出现不同程度的减小，有利于形成堤内侧床面增积的状态，潜堤内床面增加的年淤积厚度约0.02～0.45 m，工程岸段逐渐向冲淤平衡或微冲微淤状态发展.堤后波能降低，阻挡了波浪对海堤的侵蚀，近岸冲刷幅度均有降低.物模试验结果表明方案实施后南侧、北侧堤后平均冲刷深度分别减小为0.03、0.02 m.根据研究结果可知该工程能发挥对内部潮滩的保护作用.     

不规则波与顺流相互作用的数值模拟与不确定度分析

考虑实际海域普遍存在的波流相互作用现象,研究均匀流对不规则波的波浪特性和不确定度的影响规律.首先,在上海交通大学循环水槽中开展不规则波与均匀流相互作用试验并测量波面升高时历数据;然后,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程对波流相互作用问题进行数值模拟;最后,将不规则波的有义波高和平均周期作为研究对象,开展包括网格收敛性和时间步长收敛性在内的不确定度分析.研究结果表明:顺流及无流时波高概率分布符合Rayleigh分布;不规则波能量谱峰值在顺流作用下向低频移动;不规则波有义波高对网格尺寸更加敏感,平均周期则更依赖于时间步长;均匀顺流能降低有义波高对时间步长的依赖程度,但对平均周期的影响则相反.     

近岸波动平均水动力方程与波浪漫滩边界耦合的理论模型

波浪漫滩不仅影响局地水动力,对邻近拍岸浪区的水动力和泥沙运动也有重要影响。但是,近岸波动平均的流场计算尚没有包含波浪漫滩边界的影响。本文建立包含拍岸浪区的近岸波动平均水动力方程,它耦合了波浪漫滩区水流积分的波动平均方程。拍岸浪区和波浪漫滩区相互作用机制是水体、动量交换,它们由波浪漫滩区水流的波动平均值或水流积分的波动平均值提供,可以根据波浪漫滩区海滩坡度、海底摩擦及与拍岸浪区交界位置的波高、波向、波周期计算。这些水体和动量交换项可以作为近岸波动平均水动力方程的波浪漫滩边界条件,为考虑波浪漫滩影响的近岸波动平均流场计算提供理论基础。     

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。