波浪辐射应力理论的应用和研究进展

回顾波浪辐射应力张量的概念，前人的研究成果表明微幅波的辐射应力理论是符合实际的．综述波浪辐射应力理论在海洋流体动力学中的应用，分析该理论在研究近岸流的形成、波浪增水和波浪减水、沿岸流流速的沿程分布、破波带内底部反向流的速度分布、河口海岸泥沙运动、海岸碎波拍和波流相互作用等问题中的应用．总结波浪辐射应力的研究进展，包括考虑有限振幅波和不规则波的辐射应力场以及微幅波辐射应力张量沿水深分布的研究，指出辐射应力张量沿水深分布的研究可以为探讨近岸水动力环境的垂直结构以及完善波流相互作用三维数学模型提供理论基础．为深入考察波浪辐射应力张量沿水深分布情况，提出进一步研究的思路．     

基于有限体积法的三维波生近岸流数值模型

波浪破碎产生近岸流是近岸浅水区域一个重要的水动力现象。该文利用辐射应力的概念,并考虑辐射应力沿水深的变化、波浪破碎引起的水滚以及波流共同作用下的水底剪应力,建立了基于有限体积法的三维波生近岸流数值模型。运用建立的数值模型模拟了两个实验室实验,并同实验的实测结果进行了对比。结果表明,建立的数值模型能够较好地模拟波浪破碎产生的近岸流。     

波浪辐射应力张量的垂向变化

将垂向考察区域分为波谷以下部分，波谷至平均水面部分以及平均水面以上部分，应用线性波理论，分段推求波浪辐射应力张量沿水深分布函数，通过欧拉坐标变换，建立了任意波向角时波浪辐射应力张量的计算表达式，给出深水及浅水条件下的渐近表达式，讨论了波浪辐射应力张量的垂向变化情况。     

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。     

波流共同作用下细沙粉沙质海岸复合沿岸输沙率计算

应用能量原理建立波浪作用下沿岸输沙率公式时,通常采用波浪的“载沙量”与沿岸流的乘积推导而得.对于一般的沙质海岸,由于岸滩坡度较陡,波浪破碎带较窄,破波带内潮流流速与破波产生的沿岸流相比较小,常可忽略.而对于细沙粉沙质海岸,岸滩坡度相对较缓,风暴潮期间,近岸波浪较大,破波水深较深,破波带较宽,近岸潮流流速也较大.因此,细沙粉沙质海岸风暴潮期间波浪和潮流共同作用下的复合沿岸输沙率计算应当考虑波浪和潮流的共同作用.在以往波浪作用下沙质海岸沿岸输沙率研究的基础上,通过波浪潮流共同作用下近岸水流特性和沿岸输沙率特性港池试验研究,得出了波流共同作用下复合沿岸流计算公式,据此,将能量输沙原理导出的沿岸输沙率计算公式推广应用到波流共同作用下的复合沿岸输沙率计算,经与模型试验结果和现场实测资料对比,吻合良好.该公式可以有条件地推广应用到细沙粉沙质海岸波浪潮流共同作用下复合沿岸输沙率计算.     

基于Boussinesq方程的近岸波流统一模型

用统一的理论正确描述近岸海域内不同尺度的水动力学现象是海岸水动力学研究的一个难题.本文通过将一种简单的波浪破碎模型引入到Boussinesq方程,建立了能够统一描述近岸水波和波生流的数学模型.将数学模型应用于计算浅滩上的波浪变形以及均一斜坡上平行于海岸的沙坝缺口附近的波生流,得到了良好的结果.     

波浪辐射应力对风暴增水的影响研究

波浪辐射应力引起的增水是风暴增水的重要组成部分,研究台风过程中波浪辐射应力在风暴增水中的作用对于准确预报风暴潮有十分重要的意义。选用藤田台风模型模拟台风场,采用SWAN模型模拟台风浪以及辐射应力,应用垂向积分的二维数学模型ADCIRC计算风暴潮。首先模拟理想地形条件下,规则波和不规则波斜向岸边入射过程中的波浪变化,研究波高、波浪辐射应力和增水的沿程分布特征;然后计算了台风Winnie过程中浙江沿海的波浪情况,通过计算得到了波浪辐射应力增减水的空间分布特征和随时间的变化趋势,并分析了其对风暴增水的影响。     

不规则波辐射应力的精确解与近似解

波浪辐射应力是波生沿岸流乃至近岸流的主要驱动力。波浪辐射应力的计算将直接关系到沿岸流的大小及其水动力特性。不规则波相对规则波更能反应实际海洋中的波浪运动,因此不规则波作用下辐射应力的计算将更能体现实际沿岸流中的波浪驱动力。通过推导给出不规则波辐射应力计算的精确解与近似解,并对两种计算方法进行了分析比较,在此基础上进一步用波生沿岸流试验结果对近似计算方法中的波能计算进行了验证。结果表明窄谱情况下,不规则波辐射应力的近似计算方法已有较好的精度,可节省大量的计算时间,从而提高计算效率,但精确计算方法更能准确反应各时刻各位置辐射应力的波动状况。     

波浪潮流共同作用下长兴岛海区二维悬沙输运数值模拟研究

根据近岸地区波浪、潮流与泥沙运动的规律,把波浪运动概化为在潮周期中具有时均意义的波浪流分布场,将波浪辐射应力以及波流底部剪切应力耦合到潮流运动方程和悬沙输运方程中,建立了非结构网格下近岸波浪和潮流共同作用下的二维悬沙输运数值模型。时间离散采用欧拉向前格式,空间离散采用有限体积法的显式格式。将模型应用于矩形海湾实验和大连长兴岛附近海区悬沙冲淤过程的实际算例。结果表明:波浪对潮位影响很小,但是对近岸流速有较为明显的影响;波流共同作用对近岸泥沙浓度影响比单纯考虑潮流作用可提高40%～100%的幅度。     

孤立波作用下珊瑚礁海岸附近流动特性研究

该文通过基于大涡模拟的三维数值模型研究了孤立波作用下珊瑚礁海岸附近的流动特性,考虑了两种礁坪水深的情况,通过物理模型实验对比验证了礁面上自由液面的空间与时间变化以及流速的时间变化,并运用数值结果进一步分析了流场和涡量场的沿礁变化规律。结果表明:该数值模型能合理地模拟不同礁坪水深下孤立波的浅水变形、破碎和滚波的运动以及波生流的变化。波浪破碎时礁坪上水流由亚临界流向超临界流转变,随后流速沿礁衰减。泻湖内的流速变化不再显著,波浪破碎伴随着强烈的水体涡动,涡动随着滚波的沿礁衰减而逐渐耗散,泻湖中的涡动几乎可以忽略不计。礁坪水深的增大显著降低了礁坪上的涡动强度。