岛礁陡坡地形上波浪破碎试验研究

通过波浪水槽系列模型试验对岛礁地形上的波浪破碎位置进行试验研究。试验中将岛礁地形概化为向海陡坡与水平平台相连接的模型,研究3种陡坡(1∶1. 5、1∶3和1∶5)、3种相对水深(0. 1、0. 17和0. 24)下的波浪破碎位置。结果表明,波浪相对破碎位置与Irribarren数、礁坪相对水深以及前坡坡度有关,且随Irribarren数和相对水深的增大而向岸侧移动,随坡度的变陡而向海侧移动。同时,也给出了波浪破碎位置计算方法。     

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。     

筑堤影响下岛礁三维波浪传播变形规律SWASH数值模拟研究*

为了探究筑堤对岛礁系统内波浪传播变形的影响,利用非静压波浪模型SWASH对三维岛礁模型试验数据进行验证对比,继而在岛礁上方不同位置建立不同长度的防波堤进行波流模拟。结果表明：礁坪特征断面内的波高随筑堤无明显变化,增减水则随筑堤变化明显,堤长越长、堤距越大,堤前增水越大,增水范围越广;裂口特征断面内的波高和增减水随筑堤均有明显变化,堤长越长、堤距越小,断面内波高越小,增减水越稳定。研究成果可为类似礁顶工程建设提供参考。     

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。     

波浪在斜坡堤上传播的数值模拟

基于VOF自由表面追踪技术,通过直接求解Navier-Stokes方程及κ-ε方程,建立了求解波浪与建筑物相互作用的数值波浪水槽,并将其用于研究波浪在不透水斜坡堤上传播的物理过程。首先,通过对水平床上非线性波传播过程的模拟分析验证了该数值波浪水槽的模拟精度;在此基础上,对规则波在斜波堤上传播的水动力过程,包括波浪爬坡、越浪及越流等进行了数值模拟,并通过物理模型试验结果对堤前水位及越浪量变化的模型模拟结果进行验证。     

复杂地形条件下波浪爬坡数值模拟研究

波浪爬高是确定海堤、护岸等海岸工程顶高程的主要因素,不仅直接影响工程造价,更关系到工程的安全。目前,针对单一型缓坡以及坡度较陡的防波堤的研究较多,但兼顾各种复杂地形条件下的波浪爬坡还没有一种公认较好的计算模型。文中首次采用MIKE21一维BW模型,分别通过规则波和不规则波对波浪破碎以及波浪爬坡进行了数物模验证。结果表明,应用MIKE21一维BW模型不仅能模拟在缓坡上的波浪破碎及爬坡过程,也能模拟诸如防波堤等陡坡的波浪爬高现象。将该模型应用于海南昌江核电护岸工程,为其安全性设计提供了科学依据,同时也为复杂地形条件下的波浪爬坡问题提供了一种切实可行、易于推广的研究方法。     

甲板上浪问题的二维数值模拟

以连续性方程和N-S方程为控制方程,采用源造波理论和技术,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,并使用VOF方法追踪自由面来模拟二维情况下的甲板上浪问题.文中就迎浪状态下的固定FPSO和横浪状态下的运动船体断面模型所遭遇的甲板上浪现象分别进行了数值模拟研究.船体的运动规律通过势流理论计算结果给定,在上浪现象模拟计算时,船体的运动采用移动网格技术实现.研究表明,计算结果与试验结果相当吻合,该方法可以用于甲板上浪现象的预报和模拟,可以用于分析预报甲板上浪对浮体的破坏作用.     

规则波在岛礁浅海区传播的数值模拟

针对岛礁浅海区的复杂地形和波浪环境,通过求解Boussinesq方程,结合区域源造波法,对规则波的传播和演化进行数值模拟,数值计算结果与已有模型试验对比表明,监测点波高计算值与模型试验值总体吻合较好。采用数学插值方法,建立岛礁实际复杂地形的数学模型,对岛礁实际波浪环境进行预报,能够为岛礁浮式平台设计提供波浪环境输入。     

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。     

二维物体上的二阶波浪力

近年来,作用于固定式或浮式海洋结构物上的非线性波浪力正在引起广泛的注意。本文处理了规则波对固定的二维物体的二阶非线性影响,协调地求得了二阶绕射势,并进而得到了二阶定常波浪力和二阶倍频波浪力。 借助于切片理论,此方法和结果似也可用来预估船舶或某些半潜平台的二阶波浪作用力和二阶运动。     

斜向波对岛式直立堤作用力的数值模拟

国内多采用合田公式计算斜向波对直立式防波堤的作用,但公式中未考虑单个沉箱的防波堤轴线方向上的长度Ｂ这个因子。通过数值模拟可见,无量钢参数Ｂａｉｎα／Ｌ（α－波浪入射角,Ｌ－波长）是影响作用力的重要因素。     

航道水深对波浪传播影响的数值模拟研究

利用CGWAVE波浪数值模型探讨波浪入射角度不同时航道水深对波浪传播的影响,得出航道与两侧岸滩不同水深比条件下的波浪临界入射角。通过与物理模型试验的对比验证该数值模型的可信度,并将其应用于曹妃甸中心渔港一期工程项目中,本研究的相关成果可用于指导航道工程设计和建设。     

应用FDTD法分析甚低频传播特性

应用时域有限差分（FDTD）方法分析甚低频在地电离层波导中的传播特性。使用时域电磁场数值计算方法计算白天全海水传播路径电波传播的衰减，分析复杂边界条件中VLF电波传播损耗，并对波导边界变化对VLF传播特性的影响作了讨论。计算结果表明，加法能够准确地仿真VLT在地电离层波导中的传播特性，并能充分的反映波导边界参数变化对VLF传播的影响。     

双峰谱海浪的数值模拟技术研究

海上的波浪观测资料统计表明，海上纯风浪和纯涌浪的出现机会比较少，大部分以混合浪形式出现，其频谱结构多为双峰甚至多峰。研究双峰谱波浪的模型表述和数值模拟技术，对三种典型的双峰谱海浪进行了数值模拟，仿真结果表明了双峰谱海浪数值模拟的有效性。     

应力波在高桩码头基桩中传播数值模拟研究

结合天津港某码头工程的实桩检测资料,对应力波在高桩码头基桩中的传播特点进行数值模拟研究,得出实桩检测时高桩梁板式码头的激振位置和应力波信号接收位置。该研究分析结果,可为进一步探索高桩码头基桩完整性检测的方法提供参考。     

U型防波堤与波浪相互作用的数值模拟

半淹没式固定U型防波堤,通过在自由水面附近设置挡浪结构增加能量耗散而达到降低港内波浪的目的;为了减小U型防波堤波浪反射,在其左侧设置成可渗透型沉箱。本文基于Navier-Stokes方程,采用k-ε模型封闭雷诺方程,以spatially-averaged方程作为孔隙流的控制方程,用VOF方法跟踪自由表面,建立了波浪与建筑物相互作用的数学模型,采用该模型模拟了规则波入射时波浪与可渗透型U型防波堤的相互作用,针对不同尺寸U型防波堤,进一步讨论了U型防波堤对波浪传播中反射和透射的影响。     

刘公岛岸滩整治方案数值模拟

利用MIKE21二维水动力模型,在刘公岛南部东村沿岸附近海域开展了海洋水动力环境和冲淤数值模拟研究。结合关注海域潮位潮流的模拟结果,在刘公岛南部东村沿岸设计了3个丁坝工况。地形地貌的冲淤数值模拟结果表明,设计方案减小了近岸潮流,有效减缓了丁坝之间的水动力能量,防冲刷效果明显,基本形成了促淤态势,能够有效防止沙滩冲刷和岸线侵蚀。该设计方案可为刘公岛南部海域岸滩整治修复工作提供技术支持。     

三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,采用满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法追踪流体自由表面,离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播,为今后研究非线性波浪对船舶等非规则物体的作用提供了参考.     

海上结构物周围波高的数值模拟

边界元法作为一种高效的数值方法,凭借其自身的优势,已经在土木工程和海洋工程等许多领域得到了广泛的应用.在对海上结构物的设计过程中,可以采用边界元法对同一结构物的不同设计方案进行数值模拟,对所得的计算结果进行比较、分析,根据工程的实际要求最终选择一个合理的结构型式.在波浪高度的模拟中,由于积分方程的准奇异性,直接计算往往产生很大的计算误差.本文应用单元细分方法解决了准奇异积分的问题,对物体周围的波高计算,可以得到高精度的计算结果.应用该方法本文计算了固定在水中的均匀直立圆柱周围的波高分布,与解析解吻合得很好,验证了计算程序的正确性.接着计算了不同截面型式圆柱周围的波高分布,比较了相同特征尺度、不同型式的柱状结构物对附近波高分布的影响.