基于缓坡方程在岛礁地形上波浪破碎的模拟研究

波浪从深海传至近岸岛礁时,一般需要经过落差较大的礁坪边缘,水深急剧变化,导致波浪在传播过程中发生破碎,因此准确模拟波浪的破碎过程以及破碎后的波高大小,对于岛礁海岸工程建设具有重要的意义。缓坡方程是描述近岸波浪传播变形较好的数值模型之一,文章在采用自适应有限元求解缓坡方程所建立的数值计算模型的基础上,引入描述波浪破碎的模型,建立可以描述波浪破碎影响的近岸波浪数值模型。基于二维岛礁地形上的波浪实验,比较分析了4种不同的波浪破碎能量损失因子,给出了适合于岛礁地形条件下波浪传播破碎模拟的模型。     

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。     

大范围波浪传播数学模型

南黄海辐射沙脊群海域范围广阔、海底地形变化剧烈。在传统缓坡方程基础上建立的波浪传播数学模型难以计算该海域的波浪场。为了解决此问题,文章在洪广文推导的缓坡方程推广形式的基础上,改进了数值计算方法,建立了大范围波浪传播数学模型。运用波数矢无旋性方程,将缓坡方程转化为波作用守恒方程和光程函数方程,从而消除了波长对计算步长的限制。运用硬盘同步记录法,把求解时所需要的内存用量转化为硬盘用量,从而可以运用高分辨率网格计算大范围海域。在南黄海辐射沙脊群的应用表明,该模型适用于大范围、复杂水下地形的波浪场计算。     

基于抛物型缓坡方程的波浪数值模型应用研究

在建立了基于抛物型缓坡方程的波浪变形数值预报模型的基础上,计算了波浪破碎前堤后绕射及浅滩上的折射现象。在计算堤后绕射中,采用了堤上薄膜水的方法。为了消除数值计算结果的高频振荡,在方程中引入耗散界面。浅滩折射的数值结果还与Berkhoff的经典试验结果进行了对比。讨论了摩阻系数对波高的影响。为了将模型运用于破碎区,提出了一种波能衰减模型,分别用Sato的水槽试验资料及实际海域破波区波高实测资料对模型进行了验证。上述计算结果表明,所建立的波浪变形数值模型可以用于近岸波浪变形计算中。     

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。     

南汇东滩促淤工程南区设计波浪要素研究

针对南汇东滩促淤工程所处的位置,选用基于波能平衡方程和波作用守恒方程的近岸风浪谱模型建立波浪传播计算数值模型,对非线性效应影响条件下的波浪要素进行计算研究。研究结果表明,波浪在远距离的传播过程中,受到沿程的风的影响,组成波之间能量交换转移和耗散等非线性效应的影响不可忽略,在南汇东滩海域采用近岸风浪谱数值模型对波浪的传播变形计算较为合适。     

威海船厂港域波高数值计算*

应用能量平衡方程研究近岸随机波的传播变形是一种简单而实用的方法,其在海洋学以及海岸动力学中得到了广泛的应用。采用考虑绕射作用的能量平衡方程作为计算随机波浪传播变形的控制方程,以此建立的数学模型考虑了波浪的浅化、折射、绕射、反射和破碎。利用该模型对威海船厂港内随机波传播变形进行数值模拟,通过数值计算值与试验值的比较,发现在相同的考虑因素下两者是相当吻合的,说明模型在计算近岸随机波的传播变形时是实用而可靠的。     

海龙湾波浪场整体数学模型研究

为了深入研究海龙湾港区的波浪情况,建立了海龙湾波浪场整体数学模型,对港区内外波浪场进行分析研究。利用扩展抛物型缓坡方程完成由外海到港区口门的波浪推演,模拟波浪由外海向近岸港区的传播过程。再利用椭圆型缓坡方程,模拟港区内的波浪分布情况。研究结果表明:推荐设计方案的港区防波堤对主波向的波浪做到很好的掩护,相较比选方案来说港内波浪条件更好,等值线图表明设计推荐方案是合理可行的。总体说来,该模型对海龙湾波浪场的数值模拟是有效的,为工程实际提供了科学合理的参考。     

基于非结构化网格的波流耦合模拟及应用

波浪与潮流相互作用是近岸海域的关键水动力因素。基于相同的非结构化网格同时模拟潮流和波浪,并通过参数的同步传递,即实现波流的耦合计算。模型中潮流基于三维水动力模型FVCOM,并引入波致辐射应力和水体紊动;波浪基于波谱平衡方程和光程函数方程求解,方程中均考虑流速的影响,可用于大范围波流耦合计算。通过两个算例对流和波浪在传播过程中的相互影响进行了验证;同时对实际海域的潮流和波浪进行了耦合计算,结果表明:模型对模拟近岸波流的耦合作用有着很好的精度和适用性,可用于实际工程的计算。     

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.     

引江济淮工程巢湖水域风浪特性研究

根据巢湖湖区附近波浪及气象资料,采用经现场观测资料验证的考虑风能输入和底摩阻影响的非线性抛物型缓坡方程波浪数学模型对巢湖水域风浪特性进行研究,所建立的数学模型可较好地预测巢湖水域的波浪场及波高分布情况。结合湖区地形及平面布置,进行全方向的波浪数值模拟计算,得出湖区波浪场分布情况,为相关工程设计提供参考。     

TK-2DC软件前处理模块-贴体正交网格生成软件开发

贴体正交网格计算方法是通过坐标变换或坐标投影,把不规则物理区域进行离散以生成规则矩形计算区域的方法,所生成网格的疏密性和正交性对于保证数值计算精度至关重要。目前最常用的3种贴体正交网格计算方法是代数网格生成法、椭圆型方程网格生成法以及保角变换网格生成法。为了保证网格的正交性,简化网格计算量,所采用的贴体正交网格计算方法是上述3种方法的组合体,并且以该法为内核,开发了简单易学的贴体正交网格可视化计算软件,该软件可以与CAD进行无缝连接,大大缩短了数值模拟前期研究工作的时间。     

基于抛物型缓坡方程的某码头泊稳问题研究*

从理论出发介绍了抛物型缓坡方程的特点,并阐述了抛物型缓坡方程的使用限制条件;根据实际工程的需要,运用基于抛物型缓坡方程的REF/DIF模型对大连将军石码头改进后的两种方案的波高进行了模拟和研究,模拟结果表明经改进后方案1和方案2均能满足港内泊稳条件,方案1要更优于方案2。     

辐射沙洲海域深水港开发建设水动力泥沙问题研究

综合使用水文泥沙特征分析、卫星遥感分析、冲淤演变分析、潮流泥沙数学模型计算、波浪数学模型(SWAN模型、缓坡方程、多向不规则波Boussinesq方程)计算、波流冲刷物理模型试验、泥沙淤积计算、骤淤计算与分析等多种手段对辐射沙洲中的如东海域深水港开发建设的水动力泥沙问题进行了研究,为深水港开发建设提供了科学依据。研究表明:通过采取必要的工程措施,在辐射沙洲海域中进行深水港开发建设是可行的。     

台州湾波浪条件数值模拟研究

依据台州湾外海的风浪资料建立数学模型,应用抛物形缓坡方程、Boussinesq方程及小风区成浪对工程区波浪条件进行计算,得到了工程区不同重现期波浪要素,并通过分析得到了工程区波浪年分频分级情况。通过计算与分析可知台州湾外海为台风大浪区;台州湾内由于受众多岛屿掩护,经过地形的折射、绕射和破碎影响,与外海相比波浪衰减达到50%左右;工程区NE向H1%波高约为6.5m,H4%波高超过1.0m的频率每年在20d以下,建港的波浪条件较好。     

离散格式和网格数量对过渡型艇粘性阻力的影响

采用对比性数值分析方法研究高速气泡船减阻效果，针对某优良过渡型艇，为喷气需要预先进行断阶，不计自由面影响，采用有限体积法和SIMPLE算法，湍流模型为k-ε两方程，耦合求解N-S方程和连续性方程，数值分析不同离散格式、不同网格数量对艇体在不喷气状态下遭受的特性阻力影响。计算结果显示：二阶迎风格式比一阶迎风格式数值结果与试验结果符合较好；网格数量达到95万，计算结果与试验结果符合较好。     

基于物面重叠的多附体船舶阻力数值模拟

阐述物面重叠技术,介绍重叠网格的基本原理以及物面重叠的处理方法,在此基础上采用单相Level-Set捕捉自由面方法和RANS方程对某型带多件附体的船舶进行阻力数值模拟,对其流场和自由面波形进行分析。与模型试验结果进行对比发现:数值计算结果与试验结果吻合良好,误差满足工程精度要求,验证了物面重叠技术应用于多附体船舶阻力数值模拟的可靠性。     

连云港外海含沙量推求及航道回淤预测

目前国内在研究淤泥质海岸航道回淤时,通常仅有近岸含沙量的实测资料,而外海含沙量较难获得。为此,建议可以利用实测的航道淤积、近岸含沙量等资料,根据刘家驹的航道回淤计算公式,近岸率定淤积系数,反推外海泥沙含量,据此进行航道回淤预测。经过连云港7万吨级进港航道验证,计算的航道回淤与实测值吻合较好,在此基础上,对拟建的连云港15万吨级航道回淤进行了预测。研究结果表明,所提出的方法切实可行,计算结果合理可信,可以作为相似条件下航道泥沙回淤计算的参考。