风暴潮与波浪动态耦合三维港池模拟研究*

风暴潮是发生在海洋沿岸的一种严重的自然灾害，通常会伴有大浪，二者的耦合作用极大地威胁着沿岸地区的安全。以往对近岸承灾体海洋动力灾害的研究大多集中于单一致灾因子的影响，多采用恒定水位和定常波浪要素，对风暴潮与波浪耦合效应及其对海堤承灾体动力响应的研究不足。采用9711号台风在宁波北仑海域引起的风暴潮潮位及波浪过程，通过将连续的风暴潮水位变化过程与波浪过程进行叠加，模拟真实的动态潮位过程，在三维港池实验室中实现风暴潮和波浪的动态耦合模拟，为相关模型试验的开展提供参考。     

基于WRF与MIKE-SW模式的连云港海域台风浪数值模拟

为准确模拟台风过境期间连云港海域波浪场分布,将大气模式WRF模拟的海面10 m风速作为波浪模式MIKESW的驱动风场,再现0713号台风过境期间波浪变化过程。数模与实测资料验证结果表明WRF模式成功复演了韦帕台风移动、风速变化过程,考虑风暴潮增水效应的MIKE-SW台风浪模型能够较好地反映台风过境期间海浪成长过程。     

基于Delft3D的离岸堤附近波浪与波生流数值模拟

基于Delft3D三维波流耦合模型,模拟了仅波浪作用下出水离岸堤附近的波浪与波生流,与物模试验资料进行了对比,结果表明,Delft3D波流耦合模型能较好模拟波浪在近岸区域的浅水变形、折射、绕射、破碎等物理现象,波高、波生流沿断面的分布与试验结果吻合良好,验证了该模型在波浪传播变形、波生流模拟的可靠性;研究了不同入射角度与不同波高时离岸堤附近波生流的形态,研究表明入射角度增大,沿岸流也随之增大,离岸堤后方环流逐渐向波浪入射方向的下游移动,不同的入射波高条件下,离岸堤附近流态并没有太大变化,波高增大主要引起流速增大。     

波浪数物耦合模型的一种新的信号滤波方法

以二维波浪传播数模与物模耦合模型规则波低频滤波问题为研究对象,采用摄动法建立了线性补偿滤波方法。耦合模型中,数值模拟采用基于改进Boussinesq方程的三角形网格有限元模型,物理模拟采用推板式造波机。文中分析了耦合模型信号滤波的目的和目标,并通过造波信号频域的分析,对比了文中方法与传统方法在信号稳定性方面的效果,通过波浪耦合模拟实验对比了波面的数模与物模结果。实验结果表明,与传统方法相比,文中方法能有效解决造波信号的慢漂和计算值偏小的问题,信号更加稳定,耦合误差更小。     

西海岸中央公园防风暴潮数值模拟研究

为了对西海岸中央公园附近及其周围海域的风暴潮进行系统且精准的数值模拟研究,本文利用Delft 3D对研究区域进行了天文潮、风暴潮以及波浪的数值模拟。首先,建立了该海域的天文潮数值模型,研究发现该海域受黄海海流的影响呈现NE向与SW方向往复流状态。接着在天文潮模型的基础上,对研究区域连续22年风暴潮增减水进行了模拟,并结合实测资料对研究区域的多年一遇设计水位进行计算。最后,将相关设计水位应用到波浪模型中,得到该海域设计波要素以描述研究区域附近海域的波浪特征。本文的研究成果可为研究区域的海洋工程设计和风暴潮预报提供理论依据和技术支持。     

基于能量分配的特定畸形波序列的数值模拟（英文）

文章对一个理论畸形波序列进行了数值模拟并且将数值结果与理论值做了对比。采用速度入口方法以实现波浪模拟。在造波边界处不考虑高阶波浪成分,只输入线性波浪速度。分别采用三种不同分辨率的网格进行数值模拟,以找到足够有效捕捉自由面的网格模型。考虑到快速傅里叶变换不能反映畸形波的时频特征,因而引入小波变换研究畸形波传播过程中的能量变化。最后比较了北海实测畸形波和文中理论畸形波小波变换的差异。     

基于能量分配的特定畸形波序列的数值模拟

文章对一个理论畸形波序列进行了数值模拟并且将数值结果与理论值做了对比.采用速度入口方法以实现波浪模拟.在造波边界处不考虑高阶波浪成分,只输入线性波浪速度.分别采用三种不同分辨率的网格进行数值模拟,以找到足够有效捕捉自由面的网格模型.考虑到快速傅里叶变换不能反映畸形波的时频特征,因而引入小波变换研究畸形波传播过程中的能量变化.最后比较了北海实测畸形波和文中理论畸形波小波变换的差异.     

不规则波浪的数值模拟

优良的波浪环境条件是研究非线性波浪和浮式结构物相互作用问题的基础.文章在数值波浪水池中对不规则波浪进行了数值模拟,造波通过摇板的运动实现,消波通过在水池后段设置消波区实现,自由液面由VOF方法捕捉.对计算所得的波浪时历进行谱分析并将所得谱与理论谱进行了比较,吻合良好.     

三维数值波浪水池造波技术研究

数值波浪水池是一种新兴的研究平台,相对于物理实验具有经济花费少、结果数据详细等优势.采用FLUENT软件建立三维粘性数值波浪水池,运用二次开发接口UDF(Universal Disc Format)模拟造波机的工作方式,实现摇板造波和在动量方程中添加源项实现消波区的消波.数值水池运用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)模型捕捉自由面,湍流模型为RNG雷诺时均模型.输入波列为同一波长、多个波高的简谐波波浪序列,将序列中的计算结果与理论值对比,验证数值波浪水池的造波能力.     

基于重叠网格方法的船舶迎浪增阻与运动数值预报

基于粘性流CFD软件建立了三维数值波浪水池,并对带舵的KCS船模在静水和5个不同波长的规则波中航行进行数值模拟。文中采用入口处模拟波速的方法造波,消波方法运用强迫消波技术(Wave Forcing),并利用VOF方法追踪自由波面的变化,在数值水池中成功模拟了波浪的生成与传播;最后结合重叠网格方法对KCS船模迎浪增阻与运动响应进行数值计算,并将计算结果与试验数据进行对比分析,吻合良好,为今后准确预报舰船在波浪中的增阻和运动响应提供参考。     

两次气旋影响风暴潮过程的天气学特征分析

滨海新区风暴潮灾害日益频繁,在统计历史风暴潮及强增水个例的过程中发现了一些规律。主要结论:两次过程在发生风暴潮最高潮位之前的一个天文低潮位时增水出现激增的现象。两次过程高空形势都是一槽两脊。地面形势为江淮地区锋生形成闭合气旋。两次过程气旋移动路径非常相似,均由江苏境内北上,沿山东沿海向东北登陆朝鲜半岛。两次过程增水的激增也都与气旋北移有密切关系。塘沽站与成山头站海平面气压差与增水有较好的相关性。     

边界适应曲线网格在天文潮、风暴潮数值模拟中的应用

采用曲线坐标系下的准三维近岸流波流耦合数值模型,采用边界适应曲线计算网格和两层嵌套方法,设计一套简单实用的天文潮预报系统,并引入风场以及考虑天文潮和风暴潮之间非线性作用的开边界水位,对2003年渤海发生的一次温带风暴潮进行模拟,计算结果与实测潮位吻合较好。     

SWAN风浪成长模型在近海设计波浪要素推算中的应用

根据黄、渤海区20 a中最大风速对应的风场过程,利用SWAN模型模拟风浪的成长过程,利用针对模型推算所得的烟台芝罘岛附近海域的系列波浪要素,进行P-III型曲线的拟合分析,得到不同重现期条件下的特征波浪要素。模型计算过程中,只需对美国NCEP和欧洲ECMWF风场后报资料进行简单校正,据此通过SWAN模型推算的特征波浪要素值就可与根据芝罘岛海洋环境监测站现场观测资料推断的波浪要素值基本一致。     

风暴潮增水和台风浪联合分布在北仑港中的应用

通过台风期间北仑港实测潮位、波浪资料统计分析,研究台风期间风暴潮增水特性和统计规律,采用概率统计理论研究风暴潮增水和波浪的相关性,建立风暴潮增水与波高的联合分布,提出考虑风暴潮影响的设计潮位、波浪组合的推算方法。     

新型水槽造波机参数设计与特点

在全球气候变化的背景下,近年来经常出现极端波浪造成海岸工程的破坏。为重现破坏过程,研究破坏机理,解释大风浪下泥沙的起动与运动,分析结构与地基在大浪作用下的耦合作用,需要大尺度的波浪水槽进行试验研究,以突破比尺效应的限制。新型水槽造波机是该水槽中重要的设备。通过分析我国波浪和工程特点,对比应用需求,得到造波机的主要设计参数。设计建设中的大比尺波浪试验水槽长450 m,宽5 m,深8~12 m,建成后将是世界上尺度规模最大和造波能力最强的波浪试验水槽,配套造波机的设计波高达到3.5 m。     

宁波港集装箱码头陆域围堤抗浪性能研究

采用不规则波模拟现场波浪条件,对宁波港集装箱码头陆域围堤的抗浪性能进行了试验研究。确定了围堤各种典型断面形式在百年一遇潮位、风浪情况下的稳定情况,并针对可能发生的破坏提出了修改和优化方案,为设计和使用单位防风抗台提供了依据。     

登陆台风对长江口口门水域的影响

针对登陆台风对长江口口门水域产生的影响问题,采用统计学方法对3次登陆台风期间现场采集的长序列定点观测资料进行系统分析。结果表明,台风登陆后有效波周期减小至常态天气水平,未出现长周期涌浪;台风登陆前水位抬升,最大增水与最大有效波高均出现在登陆前高潮时;台风登陆前有效波高在2 m以上时,波浪对口门处由南向北的横向流速分量起到抑制作用;其他时段,口门处由南向北的横向流速分量变化与涨潮过程一致。     

新型波浪潮流耦合发电轮机的研究

为解决海上偏远而分散的小功率用电设施的供电问题,探究潮流能与波浪能耦合发电的可行性,满足耦合发电轮机在耐久性、初级高效获能以及低成本和安全性等方面的要求,设计了一种新型波浪潮流耦合发电轮机。该发电轮机的主体结构由复合式导流罩、叶片轮机、固定式尾舵、发电机和浮子五部分组成,本文详细阐述了该发电轮机的机械设计过程及其结构优化设计思路,并针对叶片轮机进行了水槽性能试验分析。分析结果验证了该装置设计的合理性与科学性。     

Solution of an unstable inverse problem: wave source evaluation from observation of velocity distribution

This paper illustrates how to estimate a wave source generating a wave system, including local waves, with the assumption of linear dispersive waves of two dimensions. The estimation of wave source is realized by using an inverse problem. Unfortunately, the inverse problem is ill-posed in the sense of stability, since the wave source information included in local waves diminishes as the distance from the wave source increases. In the area of applied mathematics, there are well-developed methods to tackle ill-posed problems, which are called regularizations. In this paper, three different regularizations which are well known in applied mathematics are introduced and investigated to learn whether they are applicable to the present problem of the estimation of wave source. From the numerical experiments, it is shown that the estimation is realized by the regularizations introduced in this study, so that they can be applied to the determination of a wave source generating a wave system including local waves. Received: June 6, 2000 / Accepted: February 7, 2001     

波浪与防波堤护面块体相互作用模拟研究新进展

通过流固耦合三维数值模型与先进的GPU计算技术相结合,为模拟分析波浪与防波堤护面块体等水工构筑物的相互作用提供突破性的研究计算手段,能够克服现有连续介质波浪数学模型的不足,解决许多目前需要波浪物理模型才能解决的问题。该模型具有边界改变方便、成本低、分析速度快的特点,能满足多方案设计对科研的要求,因此在工程领域有广泛的应用前景。