曲线坐标系下波浪传播的数学模型及其比较与验证

引入自适应网格技术，建立了曲线坐标系下考虑能耗影响的缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型，通过在模型中引入能量耗散项以更好地处理全透射边界。基于原型缓坡方程，完善了等水深的轴对称双导堤水域内波浪传播的精确解表达式及其计算结果；提供了等水深的环形河道水域内较为详细的精确解。在极坐标系下就等水深的轴对称双导堤水域内波浪的传播，推导了缓坡方程的小角度抛物近似模型的解析解表达式。就上述两水域内波浪传播的数值模拟模型的数值解、抛物近似模型的解、精确解进行了详细比较，说明数值解与精确解相吻合、数值模拟模型比小角度和大角度抛物近似模型具有更高的精度。数值模拟模型能较好地模拟水深复杂变化的地形上波浪的传播，能有效反映波浪传播过程中的多种物理现象。     

波—流在摩阻地形上的综合传播

本文采用波浪缓坡方程抛物型近似方法，研究了缓变地形上波－流共存情况下的传播问题。文章首先提出了包含摩阻项在内的抛物型控制方程，然后结合波－流作用守恒方程和文献（８）的成果，给出了波能衰减率的简便形式。算例表明，本文提出的计算方法可用于大型水域实际工程设计中波浪要素的计算。     

波一流在摩阻地形上的综合传播

本文采用波浪缓坡方程抛物型近拟方法，研究了级变地形上波─流并存情况下的传播问题。文章首先提出了包含摩阴项在内的抛物型控制方程，然后结合波─流作用守恒方程和文献[8]的成果，给出了波能衰减率的简便形式。算例表明，本文提出的计算方法可用于大型水域实际工程设计中波浪要素的计算。     

基于抛物型缓坡方程模拟近岸波流场

波浪向近岸传播的过程中由波浪破碎等效应所形成的近岸波流场是近岸缓坡区域重要的环境动力因素之一。本文基于近岸波浪传播的缓坡模型对近岸波浪场及近岸波浪斜向入射破碎后所产生的沿岸波流场进行了数值模拟。考虑到波浪向近岸传播中局部复杂区域波向不易确定，计算时直接从波浪辐射应力定义出发，采用抛物型缓坡方程所给出的辐射应力公式来计算波浪产生的辐射应力，在此基础上耦合近岸波流场数学模型对近岸波浪破碎形成的波流场进行了数值模拟研究，结果表明本文的数值模型是有效的。     

不规则波抛物型缓底坡波动方程

使用Kubo近似，导出了不规则波抛物型缓底坡波动方程的折射绕射联合模型。对不规则波抛物型缓底坡波动方程进行数值模拟，并对结与实验进行比较。不规则波抛物型缓底坡波动方程能很好地描述波浪传播过程中的变化，由此，可以预测波浪在传播过程中受到地形及波浪间相互用作而发生的变化。     

椭圆型缓坡方程的微机群集并行数值模拟

提出了椭圆型缓坡方程的一种并行数值模拟方法，并在微机群集并行系统上进行了数值实现。为了验证方法的精度和效率问题，对两种典型缓坡地形上的波浪传播变形进行了数值模拟。与对应的串型算法得到的结果比较表明，本文的并行数值方法不仅可以提高数值模拟效率，而且可以大大减少单机的存储容量，从而使该系统可以进行更大区域的波浪变形的数值模拟。     

综合考虑多种变形因素的近岸多向不规则波传播数学模型——Ⅰ．模型的建立

根据线性波动的叠加原理和波浪方向谱理论，作者在综合考虑环境水流（水流因子）、非线性弥散影响（非线性因子）、底摩擦波能损失（底摩擦因子）、非缓坡地形影响（地形因子）、折射、绕射的近岸规则波传播基本方程的基础上，推导出了综合考虑多种变形因素的近岸多向不规则波传播变形的基本方程。使用有限差分作为数值方法，给出了波浪破碎和障碍物后边界的处理方法，建立了综合考虑环境水流（水流因子）、非线性弥散影响（非线性因子）、底摩擦波能损失（底摩擦因子）、非缓坡地形影响（地形因子）、折射、绕射、波浪破碎、障碍物影响的近岸多向不规则波传播变形数学模型。该模型以组成波的谱值及波向为变量，在实数域内求解，适合大面积海区波场计算。     

波浪在双滩地形上的传播

使用抛物型缓坡方程和修改抛物型缓坡方程研究了双圆形浅滩地形的波浪折射绕射。并与单圆形浅滩的波浪折射绕射进行了比较，进而对多圆形浅滩进行数值模拟，从中模拟了陷波现象。     

新抛物型缓底坡波动方程

应用变分原理导出修改抛物型缓底坡方程和扩展抛物型缓底坡方程。通过数值模拟方法数值求解具体地形上的波浪折射绕射，同Kirby抛物型缓坡方程的线性方程和非线性方程进行比较。结果表明新的抛物型缓底坡方程具有适用性。提供了一种模拟波浪折射绕射的新方法     

近岸波浪及沿岸流数值模拟研究

利用抛物型缓坡方程计算波浪场,并以波浪辐射应力为近岸动力因素,建立深度平均的二维近岸流的控制方程。运用该近岸流方程,对美国Santa Barbara Leadbetter海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的沿岸流进了数值模拟,其中抛物型缓坡模型采用Crank-Nicolson格式进行数值离散,近岸流方程采用ADI差分格式离散。与现场实测资料的对比表明,无论考虑或不考虑波浪非线性因子,模拟结果与实测结果均吻合良好。     

考虑振幅弥散影响的波浪变形模型

本文给出了一个精度高于Zhao和Anastasiou（1993）显式近似Kirby和Dalrym-ple的非线性经验弥散关系的显式表达式，该显式表达式与Kirby和Dalrym-ple的非线性经验弥散关系吻合很好。用本文给出的非线性弥散关系显式表达式，结合含弱线性经效应的缓坡方程的前进波折近似方程组，建立了一个考虑振幅弥散影响的波浪变形模型，用文中模型对波浪的变形进行了计算，将计算结果和试验数据（试验数据采用Berkhoff等（1982）验证数学模型可信性试验进行了比较。结果表明，采用本文的波浪变形模型，所得计算结果与试验结果更为吻合。     

Modeling of random wave transformation with strong wave-induced coastal currents

The propagation and transformation of multi-directional and uni-directional random waves over a coast with complicated bathymetric and geometric features are studied experimentally and numerically. Laboratory investigation indicates that wave energy convergence and divergence cause strong coastal currents to develop and inversely modify the wave fields. A coastal spectral wave model, based on the wave action balance equation with diffraction effect （WABED）, is used to simulate the transformation of random waves over the complicated bathymetry. The diffraction effect in the wave model is derived from a parabolic approximation of wave theory, and the mean energy dissipation rate per unit horizontal area due to wave breaking is parameterized by the bore-based formulation with a breaker index of 0.73. The numerically simulated wave field without considering coastal currents is different from that of experiments, whereas model results considering currents clearly reproduce the intensification of wave height in front of concave shorelines.     

非线性抛物型缓坡方程的数值模拟

参考Lo对MNLS方程中非线性项的处理方法,但不转换到频域求解,同时采用Li修正的非线性弥散关系,对非线性抛物型缓坡方程在复数域进行数值模拟,并分别在Berkhoff椭圆地形及淹没圆形浅滩地形验证了该模型,得到了较好的结果。此模型可以有效地模拟非线性波浪问题。此非线性项的处理方法使得数值计算过程中不需迭代求解,同时减少了边界周期性的限制,易于操作编程,提高了计算效率。     

不恒定非均匀流场中随机波的折绕射联合数学模型

根据考虑流影响的缓坡方程，运用波动叠加原理，导出了一种适合大范围缓变地形情况下，不恒定非均匀流场中随机波的折绕射联合的数值模式。应用该模式进行了概化的半椭圆斜坡海底及渤海湾西部海域不恒定非均匀流场中随机波传播的折绕射联合的数值计算，获得了比较满意的结果。