规则波跨越潜堤传播新型数值模型

Boussinesq方程常用于模拟波浪的传播,将有限体积法和有限差分法耦合求解Boussinesq方程,对规则波在潜堤上的传播形态进行模拟,具有准确捕捉干湿动边界和较好地处理波浪破碎等优点。     

一种波浪增减水的数值研究方法

本文基于Boussinesq方程提出一种计算波浪辐射应力的方法。将模型应用于规则波破碎波浪的物理模型实验,从均方根波高、波浪辐射应力以及波浪增减水三个方面对比模拟结果与实验结果,验证模型的可靠性和实用性。     

Boussinesq方程在工程建成后波浪增水及近岸流变化研究中的应用

本文从完全非线性的Boussinesq方程出发,首先,对Kirby等(1998)建立的基于高阶非线性Boussinesq方程的数学模型进行测试验证,验证结果表明由Boussinesq方程建立的非线性波模型具有较高的精度,可有效模拟近岸波浪变形及破碎过程。然后将该模型应用于实际工程,模拟工程前后的波浪变化过程,模型很好的反应了波浪传播过程中的反射、折射、绕射、破碎、波生流以及增减水现象,最后,对工程前后模型结果进行对比分析,反应出实际工程导致增水和沿岸流的显著变化。而目前工程设计中设计水位没有考虑工程建成后设计水位的变化,这会对海工建筑物及保护区造成致命性的破坏。因此工程设计水位需考虑工程建成后设计水位的变化。     

交错网格下四阶Boussinesq方程对潜堤上波浪演化的应用*

基于Madsen 和 Sch?ffer推导的四阶Boussinesq方程,在交错网格下建立一维数值模型。模型中的时间导数采用混合四阶Adams-Bashforth-Moulton 格式。为了避免二次反射,采用了Gobbi 和 Kirby的的内部源函数造波法。最后数值模拟了波浪在潜堤上的演化过程,并且与Luth的试验值进行对比,结果显示两者吻合较好,另外还给出了非交错网格下的模拟结果,通过对比可知,两个模型都能够很好地模拟波浪在潜堤上的演化过程。     

岛礁地形上二维波浪传播的数值模拟

波浪在岛礁地形上传播的重要特征之一是波浪的破碎,为了研究近岸岛礁地形下波浪传播特性,本文采用基于Boussinesq方程的FUNWAVE1.0模型,对于二维岛礁地形上波浪的传播过程进行了数值计算,通过数值计算结果与物模实验结果的对比分析,研究了数值计算模型中波浪破碎模拟参数的取值,研究结果可为实际工程波浪破碎过程的模拟分析提供参考。     

大连大窑湾港湾振荡数值模拟研究

采用Boussinesq数值波浪模型,模拟得到大窑湾不同水域的固有频率。模拟了不规则波入射时全湾水面响应状况,结果表明:谱峰周期较小的不规则波入射大窑湾港内,经过一定长的时间,波能会在局部地区发生高频到低频的传递,从而诱发局部低频波动。外海波浪入射不会导致全湾水域整体振荡,但湾底及南岸小港池易发生局部水体振荡。采用减小边界反射系数的措施,可有效降低局部水域的波动幅度。     

用一种全非线性Boussinesq方程模拟斜坡上的波浪破碎和爬高

基于一种新的二阶全非线性Boussinesq方程,采用预测-校正格式的有限差分法对该方程进行离散,建立了数值模型.模型中通过“狭槽法“来处理波浪在岸线处的动边界条件,采用涡粘模型来模拟波浪破碎引起的能量耗散.为了验证数值模型的适用性,模拟了斜坡地形上的波浪破碎和爬高.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.     

Boussinesq方程波浪数学模型的应用

<正>1 前言 波浪运动相当复杂,波浪受地形和水工建筑物的影响,产生浅水变形、折射、绕射、反射等现象,准确模拟有相当的难度,因而波浪数学模型是水动力数学模型中难度较大的数学模型. 波浪数学模型的研究开始于60年代,法国的Biesel最早提出采用积分方程的波浪数学模型,70年代,荷兰的Berkhoff提出了缓坡方程波浪数学模型,丹麦的Abbott提出了Boussinesq方程波浪数学模型,缓坡方程和Boussinesq方程的提出,是波浪数学模型的发展的重要里程碑.80年代以来,欧美和日本学者在缓坡方程和Boussinesq方程的基础上,对波浪数学模型进行完善和发展,将这些模型用于研究不规则波的传播,并考虑波浪的非线性影响、底摩损耗以及波浪与水流的相互作用等,波浪数学模型作为波浪运动研究的新方法与水工物理模型相互补充成为海岸工程波浪问题研究的有力工具. 我们对波浪数学模型的研究分两个阶段进行,1996～1997年初为研究的第一阶段,该阶段参考丹麦水工所Abbott、Mc Cowan和Madsen等人1990年前的所有公开发表的论文,全面了解经典波浪数学模型的发展过程.对经典波浪数学模型的基本原理、高精度差分方法和消波边界处理等问题有了深入的认识.1997年初完成了经典波浪数学模型的建立与     

三亚新机场出运保障基地波浪场数值模拟研究

基于1949~2015年间影响南中国海的883个台风浪过程后报结果、以及南中国海1979~2015(共37年)逐年海浪后报结果,经统计分析,并经与已有研究关于工程周边水域极值波浪条件分析结果的比较,确定了三亚湾外海的深水波浪条件。然后基于波作用量守恒方程数值模拟模型SWAN,采用两重嵌套的计算方案,在考虑波浪折射、绕射、局部风能输入、海底摩阻、非线性波波相互作用以及波浪破碎的影响下,对不同方向和不同重现期的波浪由外海向工程区近岸的传播变形进行了数值计算。在此基础上,采用Boussinesq方程数值模拟模型Mike21BW模型,考虑波浪折射、绕射和反射的综合作用,对不同规划方案港域波浪的传播变形进行了数值计算。给出了工程规划结构前沿的设计波浪要素和港域的泊稳波要素,供设计部门参考使用。     

基于双层Boussinesq方程的聚焦波数值模型

基于高精度双层Boussinesq方程,建立了聚焦波的时域波浪数值水槽。时间积分采用混合4阶Adams-BashforthMoulton预报-校正格式,聚焦波生成则采用累加不同频率规则波的内部造波源项法。针对Baldock等的聚焦波试验进行数值计算,计算结果与试验数据吻合较好。利用验证后模型进一步考察了非线性对数值计算聚焦波的影响,其中考虑了强非线性、弱非线性以及线性3种情况,结果表明非线性对精确模拟聚焦波至关重要,强非线性模型给出的结果最好,弱非线性次之,线性最差。     

用SWAN模型模拟近岸波破碎

用SWAN波浪模型模拟了波谱在近岸区的演化。在SWAN模型中用“文氏谱”作为输入谱进行数值造波,模拟了不规则波的破碎过程。通过与实验结果和其它波浪模型的计算结果的对比说明,利用“文氏谱”,SWAN模型能够正确地模拟近岸海域不规则波浪的破碎过程。     

基于Boussinesq模型的刚性植被水域波浪传播特性数值分析

通过在Boussinesq水波模型中引入拖曳应力项来考虑植被对波浪的衰减作用,建立了波浪在近岸刚性植被水域传播运动的数值模型。在对模型进行验证的基础上,模拟分析了植被特征参数与入射波要素对波浪传播运动的影响。数值模拟结果表明,波浪在近岸植被区传播时,随着植被密度和植被淹没高度的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大;随着入射波高的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大。     

单桩波浪破碎荷载的数值模拟研究

基于开源程序Open FOAM建立了三维波浪破碎数值模型,模型控制方程采用三维不可压缩粘性流体运动RANS方程,应用VOF方法捕捉自由表面,分别运用动量分布源方法、阻尼消波方法实现数值造波和消波,紊流模型选用RNG k-ε模型。利用所建立的三维波浪破碎数值模型模拟了破碎波对单桩结构物的作用力,并与物理模型实验数据进行对比分析。结果证明该模型可以较好地模拟近岸单桩结构物所受破碎波浪荷载。     

岸礁地形上波浪增水和传递波的数值模拟研究

利用完全非线性Boussinesq方程数值模型FUNWAVE-TVD,对珊瑚岸礁地形上波浪的传播变形进行了数值模拟。通过Demirbilek物理模型试验,测试了FUNWAVE-TVD关于岸礁地形上波浪传播变形的计算性能,并分析了模拟结果(包括波高、增水和爬高)之于空间网格步长、底摩阻系数和破碎阈值的敏感性。通过系列组次的数值模型试验,研究了岸礁地形上礁坪长度和礁后岸坡坡度对波浪增水、传递波波高和爬高的影响。结果显示:礁坪长度和礁后岸坡坡度的变化对礁坪增水的影响小;一定范围内,传递波高随礁坪长度的减小和岸坡坡度的增大而增大;爬高随礁坪长度的减小而增大,随岸坡坡度的增大先增大后减小。相关结果对礁顶工程建设具有一定的参考价值。     

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。     

甲板上浪2D数值模拟与试验研究

基于VOF法,采用动边界造波,对规则波中的浮体甲板上浪进行了2D数值模拟.得到了在不同倾角下甲板上浪的波形时历.基于PIV和浪高仪测试技术,在波浪水槽中对浮体在规则波中的甲板上浪进行了试验,得到了上浪水在甲板上的水位高度及波浪沿船首爬行、变形、破碎的过程.计算结果与试验结果进行了对比,验证了数值计算的可行性.     

低频波浪在常水深地形中传播的数值研究

利用基于Boussinesq方程的波浪辐射应力计算模型,模拟常水深地形中传播的低频波浪,研究其形态变化,以及低频波浪与波浪辐射应力之间的关系。结果发现约束长波的波幅和波群的辐射应力值基本保持在某一均值不变;主频的波幅、约束长波的波幅都会做一定周期的震荡,同时波群的辐射应力也随之而震荡,三者之间的变化关系是波群非线性能量传递的表现。     

波浪变态模型试验变率影响的计算机仿真研究

基于MIKE21软件系统中的Boussinesq模块,应用波浪运动相似关系,建立了以波浪折射和绕射为主的多个不同变率的变态模型,并对不同变率模型的港内波高分布进行了模拟.入射波浪为随机波,变态率取为1～3.通过不同变态模型计算结果和正态模型计算结果以及原型数值计算结果的比较,就变率对试验结果的影响进行了探讨,并给出了不同情况下的变率允许值的适用范围.     

近岸波浪变形数值模型的比较研究

外海深水区的波浪传播到近岸浅水区时,受到岛屿、地形与建筑物等影响,发生折射、绕射、反射和破碎等一系列变形。准确计算近岸与港内波浪分布,成为港口与海岸工程研究的重要课题。文章在总结波浪数值模拟发展现状的基础上,对目前常用的基于椭圆型缓坡方程的CGWAVE模型、基于Boussinesq方程的MIKE21-BW模型和基于动谱平衡方程的SWAN模型进行了比较研究。     

多孔介质中波浪传播的高阶Boussinesq方程*

准确模拟波浪在多孔介质中传播变形对于研究抛石防波堤等结构的消能作用是十分必要的。对Laplace方程、自由表面处的运动学方程和动力学方程以及海底运动学方程进行无因次化,且以自由表面处速度势为切点,进行幂级展开,最终给出4个不同的高阶Boussinesq水波方程。在常水深下对这些方程的一维问题进行了理论研究,并将无因次相速度和无因次虚波数与解析解结果进行对比,方程的相速度与解析解吻合程度较好,虚波数与解析解基本吻合,表明高阶Boussinesq方程可用于模拟波浪在多孔介质中的传播变形。