椭圆余弦波浅水变形实用计算法(Ⅱ)——对《海港水文规范》的一个补充

针对我国《海港水文规范》中基于线性波浪理论的浅水变形计算现状,本文的第Ⅰ部分提出了建立在椭圆余弦波理论基础上的浅水变形实用计算法(PCM),用于计算沿直线传播的波浪的浅水变形。在其基础上,考虑了海底地形变化引起的波浪折射影响,使得PCM方法能拓展用于缓变水域近岸浅水波要素的计算。最后给出一个算例,采用PCM方法分别计算了不同外界因素(理想情况、风、海底摩擦、风及海底摩擦)作用下的浅水变形结果,并与商业软件DHI-MIKE21的计算结果进行比较,结果比较吻合。     

椭圆余弦波浅水变形实用计算法(Ⅰ)——对《海港水文规范》的一个补充

尽管线性波浪理论不适宜应用在近岸浅水海域,但我国《海港水文规范》中波浪浅水变形的计算方法仍是建立在线性波浪理论的基础上,且没有考虑外界因素(如风和海底摩擦)的影响,为弥补上述不足,基于波浪传播过程中能量守恒的原理建立了一个波浪浅水变形的数值模型,谊模型采用椭圆余弦波假定,并考虑了风和海底摩擦对波能的增加和损耗作用。在该数值模型基础上,分析大量工况下的计算结果、提出了便于工程设计初期用于确定近岸波浪要素的浅水变形实用计算方法(PCM)。     

长周期波浪在礁盘陡变地形上的变形研究

随着岛礁工程建设的发展,长周期波浪在岛礁地形上变形研究有非常重要的现实意义。以马尔代夫机场岛近岸礁盘地形为研究背景,通过格林法则、椭圆余弦波等理论方法对波浪浅水变形进行计算,利用断面物理模型试验进行对比分析;开展岛礁地形的整体物理模型试验,研究长周期波浪在岛礁地形上的变形,分析岛礁地形上的波高增大系数。     

随机波浪联合折射绕射数学模型

基于波浪能量谱理论,导出了考虑底摩擦的复杂地形能量谱的联合折射绕射数学模型,在能量谱为单一频率组成波时,模型则简化为规则波的联合折射绕射方程.实际计算结果表明:本文提出的随机波浪联合折射绕射数学模型是合理的,在浅水区应该考虑底摩擦作用.     

波浪作用下沙纹床面形态及底摩阻系数研究

波浪作用形成的沙纹在近海区域普遍存在,准确预测沙纹床面形态并计算对应的底摩阻系数是研究近岸波浪变形、泥沙输运及岸滩演变的基础。利用国外公开发表的室内试验和现场观测数据对已有计算沙纹形态的典型公式进行分析评价。考虑床面形态与水流条件的互相适应,提出新的平衡状态下沙纹长度、高度及波陡计算公式;引入临界Shields参数判别函数来考虑底床泥沙运动状态对沙纹形态的影响;通过理论推导得到波浪摩阻系数计算公式,并利用沙纹形态计算公式改进粗糙高度的计算方法。结果表明,提出的沙纹形态计算公式能够较好地刻画不同底沙运动状态下沙纹床面几何特征,临界Shields参数对于沙纹形态的计算具有重要影响;新得到的沙纹长度和高度公式可以有效地应用于波浪摩阻系数计算。     

波浪在不平坦海岸底床上传播的平面二维数学模型

基于线性波浪理论,利用摄动理论中的多重尺度法,以坡度ε为小参数,Liu和Shit·帷导出波浪在不平坦底床传播的波幅方程,以及一阶势函数的解析解。为验证该模型是否可用于平面二维波浪传播问题,利用有限差分法,分别对波幅方程和边界条件进行离散和求解,得到因折射、绕射引起的波幅和波向的变化。通过引入绕射因子,使该模型的应用范围更为广泛,并且计算精度得到提高。将计算得到的波向和波高与Berkhoff、Berkhoff等翻椭圆形浅滩试验值进行比较,表明该模型可以应用于平面二维问题。     

椭圆余弦波对圆弧型固立防波堤的绕射波浪力

基于椭圆余弦波绕射理论,应用特征函数展开法,推导浅水波对圆弧型固立防波堤绕射的波势解,据此计算作用于防波堤的水平波浪载荷。结果表明:浅水波入射角与非线性影响参数、海况条件以及防波堤几何条件等因素的相对变化对波浪作用均存在一定的影响。与微幅波理论对比可知:在一定浅水条件下采用椭圆余弦波一阶分量模型所计算的最大无量纲波浪力均明显高于微幅波理论的对应估值,反映了水波非线性因素的影响效应。     

椭圆余弦波理论在波峰面上升高度计算中的应用

在开敞式高桩码头的设计中,波峰面上升高度是确定上部结构顶面高程的重要因素。针对波峰面上升高度的计算理论问题,对二阶斯托克斯波和椭圆余弦波理论进行论述。结合西非某工程案例,采用不同理论计算各控制点的波要素。结果表明:在长周期波浪作用海域,计算波峰面上升高度前应首先计算相对水深,当d0.125L时,采用二阶斯托克斯波理论计算结果误差较大,采用椭圆余弦波理论计算结果更符合实际情况。     

寒潮大风及海冰对北方港口波浪推算的影响*

为了探究冬季极端天气及海况对北方港口波浪推算的影响,以黄骅港为例,建立能够综合考虑海冰和寒潮大风影响的波浪数值模型。与实测值相比,模拟的黄骅港外航道口门处有效波高最大值和平均值分别偏大0.41%和偏小5.46%,且演化趋势基本吻合。结果表明,港内2018年寒潮大浪致灾地点处考虑海冰、强风及波浪绕射与反射影响的有效波高最大值为1.14 m。通过敏感性分析可知,港内波浪推算过程中若忽略寒潮大风的影响,则有效波高严重偏小达73.68%。如考虑海冰的影响,有效波高将比无冰情况偏小8.77%。     

波浪能量在浅化过程中的参数化研究

基于物理模型试验,对近岸随机波浪在传播过程中由于受非线性相互作用而发生的谐波能量变化进行了研究。为了讨论岸底坡度对波浪能量传递的影响,进行了3组不同底坡（β=1/15、1/30、1/45）的试验,对一组基于JONSWAP谱的入射波浪传播过程进行采集分析,获取试验结果。重点考虑了波浪在变浅过程中的主频部分以及高频部分能量的变化特征,并且使用参数化手段对这些能量变化过程进行拟合,得到一组关于这些能量参数与当地水深参数之间的变化关系。通过对不同底坡下得到的拟合结果进行比较,发现波浪主频以及高频部分能量的变化受底坡坡度影响明显,因此,在最终的经验公式中考虑了坡度的影响。     

缓坡海岸平均沿岸流实验研究与数值模拟

沿岸流研究对海岸工程具有重要的应用价值。为了更深入地研究沿岸流特征,文章对1∶100和1∶40两个较缓坡条件下的沿岸流进行了实验研究,弥补了现有实验研究主要针对较陡坡情况,不具有代表性的弊端,并通过数值模拟进一步阐述了缓坡情况下的平均沿岸流不同于陡坡情况下的物理机理。主要特色与创新有：第一、通过物理模型实验研究发现了1∶100坡度地形条件下存在不同于1∶40坡度情况下的平均沿岸流速度分布特征：前者海岸一侧平均沿岸流分布呈下凹趋势,而后者呈上凸的趋势。第二、通过平均沿岸流数值模型对1∶100和1∶40缓坡沿岸流的不同特征进行数值模拟,找出了影响平均沿岸流速度剖面特征的主要因素为破波带内波高分布和水底摩擦力表达式的选取不同,且对后者更为敏感。1∶100坡度海岸沿岸流速度剖面可由水流型水底摩擦力来计算出,而1∶40坡度海岸沿岸流速度剖面可由波浪型水底摩擦力来计算出。第三、在此基础上进一步给出了缓坡情况下二次破碎波高和波浪增减水的分布特征。