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。     

暗礁波浪演化及大型坐礁船波浪载荷研究

针对KeaTrader在杜兰德礁触底事故,本文提出简化物理模型,通过水池模型试验对波浪在礁盘上的演化、坐礁船总体波浪载荷进行研究,并基于合田波压修正公式计算得到坐礁船波浪载荷幅值。波浪从礁盘边缘斜坡往礁盘顶部传播过程中,波高增大,波峰变陡,直至发生破碎,礁盘顶部两侧波浪破碎比中部更早,同时礁盘顶部逐渐形成圆弧形波浪。随着入射波陡增大,礁盘顶部波浪破碎更明显,礁盘中心区域波高降低更显著;同时,试验得到的横向和垂向波浪载荷均表现出先减小后增大的趋势,通过力平衡分析发现坐礁船可能发生滑动。最后以坐礁船波浪载荷试验结果为基准,通过与基于合田波压修正公式的计算结果比较,建立了一种快速估算坐礁船波浪载荷的方法。     

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。     

SWAN波浪模型在黄河三角洲海域的应用

为了能够在我国的黄河三角洲海域更好地应用考虑绕射作用的最新版本40.51的SWAN(Stimulating Wave Nearshore)模型,将适用于我国海域特点的文氏谱加入到该模型中,并且利用大连理工大学港口、海岸及国家重点实验室所作的波浪在双突堤传播变形的实验数据以及没有考虑绕射作用的SWAN以前版本的模型在黄河三角洲的数值模拟结果分别进行了验证和分析。结果表明:该模型的数值结果与实验数据趋势基本吻合;在波影区,波高与以前的SWAN模型相比平均高出0.1～0.3 m不等。     

SWAN模型与BW模型在舟山泗礁换流站设计波浪计算中的联合应用

选取浙江北部嵊泗海域作为研究对象,以大、小网格嵌套的SWAN模型在龙口前沿的波要素计算结果作为BW模型的边界条件,在两个模型的联合应用下模拟了舟山泗礁换流站掩护区外和掩护区内的波浪场分布。结果表明,外海E、ESE、SE向来波传至马关围堤前沿海域时波向已偏转成SSE向,其中ESE向来波下龙口前沿的波高最大,进入掩护区后绕射波的衰减较为明显,将绕射波与局地风浪叠加,得到了泗礁换流站100 a一遇、50 a一遇的设计波要素,其有效波高分别为1.08、0.98 m。SWAN模型与BW模型的联合应用,使得掩护区内外大跨度地形下的波浪折射、绕射、反射等现象均得到了高精度的模拟,在舟山泗礁换流站设计波浪计算中具有良好的适应性。     

不规则波在斜坡地形破碎区波高分布的数值试验研究

在近岸浅水波浪分布的研究中,格鲁霍夫斯基给出适用于深水波至破碎波的整个浅水域(相对水深η>2)的波高经验分布公式,但该式在波浪发生破碎后的适用性研究欠缺。基于FLOW-3D软件对深水不规则波传播到斜坡地形上波浪发生破碎进行模拟,验证波高沿程分布与试验值的一致性,并模拟在130斜坡地形条件下波浪从有限水深传播到近岸破碎区的沿程波高分布变化。结果表明,在该坡度相对水深η<2.75情况下,格鲁霍夫斯基经验分布公式出现较大误差,不再适用;破碎区各累积率波高与平均波高的比值随相对水深变小呈递减趋势,经验公式值与之相比,总体上呈现出大波偏大、小波偏小的情况。     

缅甸土瓦海域的海浪模拟与分析

文章以欧洲中长期天气预报中心(ECMWF)的气象资料为基础,采用SWAN建立数值模型,模拟了缅甸土瓦海域波浪传播至近岸的过程。模型采用卫星高度计资料和现场实测资料同时进行验证,验证结果表明模拟结果与两种资料结果趋势均符合较好。该海域波浪传播至近岸海域受地形折射与岛屿链影响明显,外海WSW向浪入射时,受岛屿掩护近岸海域波高迅速减小,岸线北部区域波浪折向W向,而外海SSW向浪入射时,波高受岛链掩护不明显,波高相对减小缓慢,岸线南部波浪折向SW向。     

《三维破碎波波浪数学模型研究与应用》达到国际先进水平

2006年12月26日交通部科教司在天津主持召开了交通部应用基础项目《三维破碎波波浪数学模型研究与应用》成果鉴定会。鉴定专家委员会的鉴定意见认为：由交通部天津水运工程科学研究所完成的该项研究成果具有创新性，总体上达到国际先进水平。该项目主要研究成果和创新点为：（1）提出了三维破碎波浪与任意形状建筑物相互作用的基本理论，采用交错网格技术、两步映射法、部分单元法和曲面组合法等数值计算技术和方法，成功地建立了三维破碎波浪数学模型。（2）提出了二相流概念在波浪模拟中Heaviside函数的新形式。采用该方法计算的压力分布场满足理论分布，保证了在波浪运动模拟中能得到精确的压力值，避免数值震荡、确保计算结果的精确可靠，具有创新意义。（3）模型建立了在二相流概念下的小振幅波、斯托克斯波、椭圆余弦波、孤立波和线性不规则波的造波方法；并采用相应波浪理论进行了验证。采用水体在方箱中震荡和波浪与大直径圆筒作用的理论解及波浪越潜堤的试验结果分别对模型进行了验证，结果表明模型有很好的质量和能量守恒性；模拟的波浪与理论解相当吻合，该模型能够很好地反映波浪的反射、绕射和非线性变形等特性。（4）采用卷破波和崩破波与直立圆筒作用的两组物理模型试验对该模型破碎波情况进行验证，分析了破碎波与直立圆筒作用的压力分布和流场分布，数值模拟和物理模型的波高分布和压力分布基本一致。进一步证明了模型的科学性和合理性，并为工程应用奠定了可靠的基础。     

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。     

SWAN在台湾海峡台风浪场数值模拟中的应用研究

简要介绍了波浪模式的发展及应用较为广泛的几种第三代能量谱海浪模式的特点。为了研究台湾海峡台风浪场的分布特征,以0903号"莲花"台风为例,选取第三代能量谱海浪模式SWAN,充分考虑底摩擦、风、白浪破碎、波波非线性相互作用、波浪浅化效应等物理过程,模拟了该海域的台风浪场的分布特征。将模拟结果与实测波浪、风资料对比分析,结果表明风速、有效波高计算值与实际值符合性较好,SWAN模式在海域的适应性良好。     

水平式混合直立护岸波浪力试验研究

通过二维物理模型试验,研究了相对波高、波陡、相对水深和直墙前斜坡块石棱体上扭王块体对水平式混合堤结构所受波浪力的影响规律。通过分析试验结果得出如下结论:直立结构各处所受波压强总体随相对波高和相对水深增大而变大;波陡对结构所受波压强的影响较小;直墙前斜坡块石棱体上的扭王块体能明显减小结构所受波浪力。通过试验值和各公式值比较可知,合田公式计算值与掩护良好的直墙受力情况相近,合田修正公式计算值能较好拟合挡浪墙的受力规律。拟合出规范修正公式计算没有被掩护直墙处的波压强。     

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。     

江苏沿海实测波浪谱在SWAN中的应用

采用CCMP提供的寒潮大风天气风场数据,分别运用实测波浪谱和JONSWAP谱的SWAN模型对江苏沿海北部波浪场进行模拟,发现采用实测谱的计算结果与实测值更接近,模拟出的波高随时间变化过程更吻合。应用实测谱对工程区域进行波浪场推算,得到了合理的结果。     

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。     

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。     

复杂水域波浪物理模型与数学模型对比研究

基于MIKE21-BW模块,采用多种概化处理模型,研究了烟台港某工程港内波高分布和波浪传播状况。通过与物理模型进行对比,分析了各概化模型的优缺点,选择较优方案。结果表明:对于整个港池波高分布情况,各方案数学模型模拟结果和物理模型试验结果基本吻合,均能较好反映波高分布趋势及一些较复杂波浪传播变形现象。但其中存在多种波浪组合,同时包括波浪折射、反射、绕射、破碎、爬坡且反射波占主导地位的局部水域,数学模型模拟的波高数值都与物理模型结果相去甚远,说明MIKE21-BW仍不能很好模拟此类复杂波况水域。     

基于改进的RIDE-VEG模型的随机波下植物消浪数值模拟研究

文章拓展了平面二维的植物消浪数学模型RIDE-VEG,模拟了随机波条件下的植物消浪作用,并考虑波浪破碎,数值结果与各水槽模型试验均吻合良好。模型比较了线性波拆分和均方根波高表征两种方法,发现这两种方法在率定植物拖曳力参数上存在较大区别。能谱分析显示,经过植物后,整个频域内的波能均有衰减,而衰减的幅度在谱峰频率处最大,且低频波大于高频波。考虑植物作用时,由于植物削弱了由于浅水变形引起的波高增大,导致波浪破波点更接近岸线。     

江苏如东附近海域风浪场的数值模拟

介绍国际上较为先进的第3代近岸波浪数学模型SWAN模型。先选用水下圆形浅滩试验对模型进行验证计算，再对江苏如东附近海域在定常风和“9711”号台风作用下的波浪场进行了模拟，通过与现场测量结果的比较，表明SWAN模型可以较合理地反映江苏如东附近海域在定常风和“9711”号台风作用下风浪的成长和传播过程。     

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。     

江苏海域波浪分布特征研究

以1991—2011年风场数据为驱动,运用第3代波浪模型SWAN对江苏海域的波浪分布特征进行了模拟研究。首先运用基于浅水方程的Delft3D-flow模块对江苏海域的潮波进行模拟,给波浪模型提供一个准确的边界条件;其次运用SWAN模型对江苏海域的波浪进行模拟并与观测值进行比较;最后对江苏海域的波浪分布特征进行研究。结果表明:江苏海域年平均波高由南往北依次递减,年平均最大值为1.5 m左右,强浪向为NE向,四季中冬季的平均波浪最大,春秋次之,夏季最小。