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。     

改进的全水深非线性波传播模型及其模拟

在长波上非线性重力表面波传播数学模型基础上建立了保留三阶项的数学模型及其求解模式.该三阶模型能考虑波浪频散性、非线性、波浪破碎和摩阻能耗等因素的影响,进行全水域的数值模拟.采用椭圆浅滩地形和单坡地形进行验证,验证结果表明:该三阶模型在椭圆浅滩地形上比二阶模型和线性近似模型更接近试验结果,体现出该三阶模型在联合折射-绕射中的非线性作用;而在单坡地形上结果与二阶模型相当,能较好体现浅水非线性特征及破碎过程,其对应的低阶线性模型模拟的波高明显偏小.     

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。     

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。     

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.     

三峡水库典型库段近岸波高空间变异特征——以忠县段为例

利用RBR Virtuoso D|wave压力式波潮仪原位观测了三峡水库165 m水位时的近岸波高,通过对6测点1 000多组波高实测资料的参数检验和Weibull分布拟合,分析了近岸波高在干支流、左右岸、狭窄或宽阔库面处的空间差异特征,并探讨了库区波高的主要影响因素。结果表明:不同位置和库面展宽的近岸波高有显著差异,长江干流近岸有效波高的均值、极值及发生频率均大于支流,狭窄库面近岸波高均值和极值虽大于宽阔库面,但狭窄库面近岸波高的发生频率要小于宽阔库面;水库近岸波浪的波高频率分布较好地符合Weibull分布,干流岸段的波高主要集中在6 cm以下,占90%以上,支流岸段波高主要集中在2 cm以下,占87%。实测波高日过程曲线的波陡变化与断面通行船只特征具有较好的协同性,通航船只数量和类型差异是三峡水库近岸波高空间变异的主要原因。
     

三峡水库典型库段近岸波高空间变异特征——以忠县段为例

利用RBR Virtuoso D|wave压力式波潮仪原位观测了三峡水库165m水位时的近岸波高,通过对6测点1 000多组波高实测资料的参数检验和Weibull分布拟合,分析了近岸波高在干支流、左右岸、狭窄或宽阔库面处的空间差异特征,并探讨了库区波高的主要影响因素。结果表明:不同位置和库面展宽的近岸波高有显著差异(p0.05),长江干流近岸有效波高的均值、极值及发生频率均大于支流,狭窄库面近岸波高均值和极值虽大于宽阔库面,但狭窄库面近岸波高的发生频率要小于宽阔库面;水库近岸波浪的波高频率分布较好地符合Weibull分布,干流岸段的波高主要集中在6cm以下,占90%以上,支流岸段波高主要集中在2cm以下,占87%。实测波高日过程曲线的波陡变化与断面通行船只特征具有较好的协同性,通航船只数量和类型差异是三峡水库近岸波高空间变异的主要原因。     

福建海坛湾波流双向耦合下水动力特征

采用MIKE 21软件中SW(spectral wave)波浪模块和FM(flow model)潮流模块,将潮流模块计算得到的水位与流速输入波浪模型,将波浪模块计算得到的辐射应力输入潮流模型,建立海坛湾波流双向耦合的水动力数学模型.分别计算纯潮流和纯波浪作用下的潮流场和波浪场,计算结果与实测数据吻合良好,再分别对波流双向耦合作用下的潮流场和波浪场进行了模拟.比较结果表明:波流耦合作用对流速和波高都有一定的影响;在波流异向特性明显的区域,波高增大显著;涨落急时刻波高在近岸区域的衰减速率和纯波浪作用下的较一致;落急时刻波高开始显著衰减的位置明显早于涨急时刻;波浪辐射应力在破碎带附近对流速的影响最大.     

椭圆余弦波在工程上的应用

本文扼要地介绍了椭圆余弦波理论的主要结果．利用这些结果分析了浅水波浪的水面流速和水底流速与微幅波理论的差别．得出了一些有意义的结论。 文中给出了应用椭圆余弦波理论计算浅水中波浪传插时的变形——波高浅水系数们及波长浅水系数 ＫＬ的程序框图．将按此程序计算的结果与微幅波理论进行比较，分析了它们的差别，从而得到了一些有意义的结论． 为了便于工程设计应用，文中提供了计算椭圆余弦波要素的关系曲线。     

太湖波浪过程的数值模拟

基于动谱平衡方程的SWAN波浪模型和湖流三维模型,分别对太湖波浪和湖流的生消过程进行动态模拟,并研究太湖湖流对波浪的影响.结果表明,湖流模型和SWAN波浪模型可以较好地模拟风作用下太湖湖流和波浪的生成和传播过程;太湖流场对波浪场具有一定影响;风速越大,影响越显著,同时也受风向影响;沿岸区波浪受湖流影响更加显著;湖流对波浪的影响基本上呈现湖流波浪同向时,有效波高增大,波速增大,波长增长;反向时有效波高减小,波速减小,波长缩短的特征.     

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.     

基于WAVEWATCH-Ⅲ的海底突变波浪演化

为了探究浅海地形中发生渗透的波浪演化问题,采用第三代海浪模型WW3(WAVEWATCH-Ⅲ),选用谱宽为小值的高斯谱,模拟规则波从深水传播到浅水发生渗透现象时,波高发生的变化情况,并进行网格收敛性以及波浪反向传播的验证。把WW3渗透系数曲线与N.J.Newman的理论分析方法得到的渗透系数曲线进行对比,结果表明,(kh)~(1/2)≥0.4时,WW3的数值模拟结果与N.J.Newman的理论分析结果相吻合。可知在波浪波长设定满足WW3中假定水深的状况下,通过WW3得到的波浪传播渗透系数曲线是正确的。波浪演化过程的模拟为近海结构物的设计提供了重要的环境参数。     

碎冰-波浪耦合作用下的船模增阻试验研究

为研究极地船舶在碎冰-波浪作用下的增阻性能和运动响应规律,采用半精炼颗粒状石蜡模型冰,研究迎浪工况下极地船舶的增阻随航速、冰密集度、波长、波高的变化规律,进一步探究联合作用下船舶的运动响应和阻力的变化规律．试验结果表明：在船-浪相互作用下,船模总阻力会增加,波浪增阻和船舶运动响应随波高和波长的增加而增加,并且在Fr=0.055附近会发生变化．船-冰-波浪三者作用时,波长和波高的变化对波浪阻力成分与浮冰阻力成分产生了相反变化,但整体还是体现出增加的趋势;在相同冰密集度条件下,在Fr=0.055附近区间,船舶的运动响应会达到最大．     

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。     

人工神经网络在岛屿近岸海浪模拟中的应用

以三亚东锣岛近岸海域为研究案例,基于9个月现场观测数据,利用人工神经网络模型对区域海浪模式WAVEWATCHⅢ(WW3)的有效波高结果进行了修正.结果显示:受空间分辨率的限制,WW3模式难以有效地刻画岛屿岸线和地形对波浪的影响,导致有效波高的模拟结果与现场观测存在较大差距;而使用该文建立的人工神经网络模型则能有效地修正有效波高的模拟结果,使其与观测值的均方根误差和平均绝对误差明显下降.进一步分析计算显示,当人工神经网络模型应用于岛屿近岸波浪要素的模拟修正时,有必要将平均波向作为输入变量,使不同来向的波浪传至岛屿近岸所经历过程的差异性得以体现.该方法及相关结果对岛屿近岸长时间序列波浪要素信息的模拟和预报具有工程应用价值.     

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.     

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．     

海州湾海域悬沙分布特征及运动规律分析

根据海州湾海域2006年1月、2009年6月和2009年8月大风期间的含沙量资料,结合1987-2005年不同时刻卫星遥感影像资料,对海州湾海域悬沙分布特征及运动规律进行分析,结果表明:①海州湾海区含沙量存在明显的季节性变化,含沙量及其影响范围均是冬季明显高于夏季;②含沙量与潮汐的关系是大潮＞中潮＞小潮,近岸含沙量有明显的涨落潮变化,远岸变化不明显;③近岸水域含沙量明显高于远岸水域,总体上呈南部含沙量大,北部含沙量低的特点;④大风期间水体紊动的作用比较强烈,含沙量较高,实测最大含沙量在1.5 kg/m3以上;⑤随着波高的增大,含沙量有逐渐增大的趋势,不过波高的变化与含沙量的变化存在一定的滞后性;⑥大多数情况下,波浪是近岸浅水区泥沙运动的主要动力,海域自身泥沙在波流作用下的反复搬运或输移对海州湾地形产生了重要影响.     

近岸波浪破碎区污染物运动的数值模拟

波浪斜向近岸传播中由波浪破碎作用所引起的近岸波流体系是近岸非常重要的环境水动力因素,对该区域污染物的运动分布起着重要的影响作用。结合近岸波浪传播的抛物型缓坡方程、近岸波流场数学模型及污染物在近岸波流作用下运动的数学模型,对近岸斜向入射波浪破碎所产生的沿岸波流场中污染物的分布运动过程进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了分析验证。