三维Boussinesq型水波方程的改进

良好的色散性和变浅性是Boussinesq水波数值模型能够精确模拟水波问题的重要前提,针对一组最高空间导数为2的三维Boussinesq型水波方程在色散性和变浅性的不足,重新引入带有不同色散参数和变浅参数的计算速度表达式,得到了新的三维Boussinesq型方程。对该方程进行理论分析,以相关解析解为参考,分析了新参数下方程的相速度、和差频和变浅梯度等性能。理论分析结果表明：方程的综合性能有了较大改善,验证了改进的理论有效性。为验证改进方程的数值有效性,建立了基于混合4阶Adams-Bashforth-Moulton格式的时间差分数值模型。数值模拟了波浪在潜堤上的传播变形过程,将计算波面位移与文献的试验数据进行了比较,结果表明,与改进前相比,改进后计算结果与试验结果的吻合程度更高。     

波浪在潜堤上破碎的数值分析

为模拟潜堤上的波浪破碎,在高阶Boussinesq方程中引入二阶紊动粘性项,建立了考虑波浪破碎的Boussinesq数值模型.在非交错网格下利用预报—校正的有限差分法求解控制方程,其中预报采用了三阶Adams-Bashforth格式和校正采用四阶Adams-Mouhon格式.利用数值模型,通过数值试验,再现了波浪在不同坡度的潜堤上破碎演变过程.首先通过一组地形,将计算波面的时间历程与实验结果进行了对比,讨论和分析了二阶紊动粘性项中启动破碎的参数对数值计算结果的影响,给出模拟该问题时最优参数取值,进而通过其他两组地形的数值计算结果验证参数取值的合理性.     

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....     

基于分层Boussinesq方程的波浪通过斜坡上潜堤传播变形

在总结前人研究工作的基础上,运用分层Boussinesq方程对波浪通过斜坡上潜堤传播变形开展数值模拟研究．利用试验数据验证了二层Boussinesq方程波浪模型在该研究中具有很好的适用性和较高的精度．研究结果表明,相对堤顶水深和相对堤顶宽度对波浪外观形态和内部能量影响很大;相对堤顶水深越小,相对堤顶宽度越大,波形变换越显著,堤后波浪主频能量减少越剧烈．     

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。     

适合渗透海床上的Boussinesq水波数学模型

为了数值研究波浪在渗透海床上的传播特性,基于近似到二阶完全非线性的高阶Boussinesq水波方程,通过引入考虑可渗海床影响的动量方程,将方程拓展到可适用渗透海床情况。对该方程常水深情况下进行了理论分析,并与解析解比较,讨论了方程的相速度及衰减率。在非交错网格下离散该方程,建立了预报—校正的有限差分数值模型。利用数值模型模拟了渗透地形上的波浪传播变形,并与相关实验结果进行了比较,实验结果与数值结果吻合较好,说明这种拓展Boussinesq水波方程至渗透海床情况是合适的。     

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.     

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.     

基于分层Boussinesq类模型的孤立波爬坡模拟

 波浪爬坡是自然界中普遍存在的现象,是近岸防波堤等结构物设计需要考虑的因素。本文采用分层Boussinesq类方程对近海岸波浪爬坡开展数值模拟研究,采用有限差分方法数值离散二层Boussinesq类方程,建立数值波浪模型。根据Synolakis 1986年的物理实验,数值模拟孤立波在梯形水道上的爬坡,验证了分层Boussinesq方程波浪模型在该研究中具有很好的适用性和较高的精度。模型较好地预报了波浪爬高的变化趋势。预报的波浪爬坡高度大于实验测量值,主要原因是实际的底摩擦大于模型中的底摩擦。     

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。     

曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

抛物形缓坡方程的数值研究

对2种典型的抛物形缓坡方程进行比较系统的数值研究。通过对4种典型地形上的波浪变形的数值模拟，详细讨论了网格节点数对数值解精度的影响、模型对初始入射角的敏感程度、非线性项对数值结果的影响等。研究结果可为实际应用抛物形缓坡方程研究大区域复杂地形上的波浪传播提供一定的理论指导。     

多向不规则波群传播的数值模拟

波群的模拟是与波群有关的数值和物理模型试验的前提。实际的波浪是多向的不规则波,为了在实验水池中模拟多向不规则波群,该文首先根据给定的波要素、群性参数和方向分布参数,给出了多向不规则波群的数值模拟方法,在此基础上利用有限元法求解改进的Boussinesq方程的数值计算模型,建立了数值水池在指定位置模拟所要求群性的多向不规则波的入射波浪边界条件的计算方法。典型算例表明:按照该文建议的方法确定入射波浪边界条件而建立的数值模型,可以在水池指定位置处产生满足给定群性要求的多向不规则波浪。此外,对多向不规则波群的传播进行了数值研究。     

一类弱非线性波浪数值模型及其适用性分析

研究了一类含弱非线性的改进型Boussinesq水波方程,在非交错网格下,利用有限差分法建立了混合四阶Adams-Bashforth-Moulton的预报校正格式的波浪数值模型。在数值模型中,关于空间一阶导数差分格式采用四阶精度、二阶导数差分格式采用二阶精度。针对波浪的一维、二维传播变形问题进行了数值计算,并通过与相关实验结果对比分析考察了该数值模型的适用性。     

双曲型缓坡方程的数值求解

双曲型缓坡方程是研究波浪在近岸缓坡区域传播变形的一种有效波浪数学模型。对Madsen和Larsen 提出的双曲型缓坡方程进行了数值模拟,数值模拟中采用时间层同步空间层交错的有限差分格式对双曲型缓坡 方程进行数值离散,并结合两个典型算例对所采用的数值模型进行验证。数值计算的结果表明,该数值模型可 有效地应用于双曲型缓坡方程的数值求解。     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

基于非线性弥散关系的缓坡方程波浪传播变形模拟研究

【目的】波浪由外海传播到近海时,由于受到地形、建筑物等影响,波浪非线性增强,线性弥散关系不能够很好的描述波浪弱非线性效应。为了对比研究非线性弥散关系的缓坡方程在波浪传播变形的作用。【方法】采用改进型缓坡方程数值模式,并结合Li提出的非线性弥散关系,对Berkhoff椭圆经典地形进行波浪传播变形模拟研究,探讨线性和非线性弥散关系的数值模拟计算结果与实验值的关系,并对两种计算结果进行了比较分析。【结果】非线性弥散关系的计算结果与实验值的误差较线性弥散关系的结果小,非线性模型要优于线性模型。【结论】非线性模型更适合近海海域弱非线性波浪传播变形的研究。     

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。     

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．     

基于潜堤地形上的波浪传播模拟

该文应用软件为FLUENT流体分析软件,控制方程为连续性方程和Navier-Stokes方程。应用GAMBIT建立数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG湍流模型和VOF自由液面捕捉方法,利用FLUENT的二次开发编写源程序,赋予前边界造波功能,形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。建立潜堤地形下的波浪水槽模型,模拟潜堤地形下的波浪传播,其结果与实验值对比吻合良好,验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。