近岸波浪传播变形数学模型的研究与进展

对近岸波浪传播变形的各种数学模型进行了归纳评述和总结,以期对本研究方向的发展起到一定的引导和促进作用。     

近岸波浪传播折射变形的数学模型综述

对研究近岸波浪折射变形的各种数学模型（基本方程和数值方法）进行了较为系统的归纳总结和评述,内容包括线性规则波折射数学模型,非线性规则波折射数学模型,波群折射数学模型,不规则波折射数学模型。     

基于抛物型缓坡方程模拟近岸植被区波浪传播

植被对波浪传播运动有重要影响。考虑近岸波浪在植被区传播中的折射、绕射、破碎及植被引起的波能耗损效应,基于抛物型缓坡方程建立了模拟近岸植被区波浪传播的数学模型,对模型进行了数值模拟验证,采用数值模拟试验分析了植被对波浪传播的影响。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高度的增加,波浪传播中的波高衰减增大,波能耗损增加;不同周期波浪在植被区传播中的波高衰减过程也明显不同。     

近岸波浪破碎区不规则波浪的数值模拟

基于近岸不规则波浪传播的抛物型缓坡方程和两类波浪破碎能量损耗因子,对近岸波浪破碎区不规则波浪的波高分布进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了验证分析,结果表明采用两类波浪破碎能量损耗因子所模拟的破碎区波高与实测值均吻合良好,波浪破碎能量损耗因子及波浪破碎指标对破碎区波浪波高分布影响较明显。     

海岸波浪多次破碎波能耗散模型

在坡度很缓(接近或小于1∶100)的海岸,波浪在向海岸传播的过程中,可能经历多次破碎,而在两次波浪破碎之间将伴随着波浪恢复(波浪恢复到不破碎状态)。在现有海岸波高计算模型中,波浪破碎是通过波能耗散来模拟的,但所采用的波能耗散模型都不能自动考虑波浪出现多次破碎的过程,特别精确模拟这一过程中出现的波浪恢复。本文提出了解决这一问题的新的波能耗散模型,模型的建立是通过在Dally模型中重新建立稳定波能、饱和波高水深比和波能耗散系数,并引入了波浪恢复的判断条件实现的。该模型的波能耗散在波浪恢复区的值很小故能描述波浪恢复区的波浪运动。与实验结果的对比表明,新模型可以适合缓坡情况波浪多次破碎的波高模拟,而且对不同坡度的平坡和沙坝海岸(1∶100～1∶10)的破碎波模拟都可以给出与实验结果符合的结果,并且可以自动识别多次波浪破碎的存在和波浪恢复的发生。     

考虑非线性弥散影响的波浪变形数学模型

提出了逼近Kirby和Dalrymple的非线性弥散关系的显式非线性弥散关系的表达式,该显式表达式与他们的非线性弥散关系的精度几乎完全相同.采用显式非线性弥散关系,结合含弱非线性效应的缓坡方程,得到考虑非线性弥散影响的波浪变形数学模型,并对该数学模型进行了数值验证.结果表明,考虑非线性弥散影响的波浪变形数学模型更为精确.     

近岸水域波浪变形数学模型

本文采用波数矢量无旋和波能守恒方程建立了一个近岸水域波浪变形数学模型,模型中采用Ｂａｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能量守恒方程一起来求解近岸水域波浪折射绕射的联合影响的波浪要素。利用本文提出的数学模型对一个斜坡浅滩水域波浪折射绕射现象进行了验证,结果表明本文提出的近岸水域波浪变形的数学模型是可靠的,计算所得结果与试验结果是吻合的。     

港域波浪数学模型的改进与验证

通过物理模型对改进的港内波浪传播变形数学模型进行验证。该数学模型以推广的时变缓坡方程为控制方程,采用含松弛因子的ADI法求解,并对波浪反射和透射边界模拟方法进行改进。先通过物理模型试验确定斜向浪入射条件下抛石防波堤前的波浪反射系数,作为数学模型中部分反射边界模拟的依据。然后进行了一个典型港口内波浪折射、绕射和反射的模型试验,测量港内波浪分布。对比模型试验和数学模型计算的结果表明,数学模型可较好地模拟港内复杂地形和边界条件下规则波和不规则波的传播变形。     

波浪变形的数学模型

本文给出一个在复杂水深地形条件下计算包括折射和绕射效应的线性波浪变形数学模型。该模型用差分方法进行求解,并应用于兴化湾江阴岛码头及航道的波浪要素计算,所得结果与其他方法的结果进行比较。通过实际应用说明它是计算开阔海域波浪变形的有力工具。     

Boussinesq方程波浪数学模型的应用

介绍了Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ 方程的推导过程和发展过程,基于深水和缓变地形的色散关系,建立了Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程的波浪数学模型。该模型可以产生波浪,模拟吸收边界和不同反射率的反射边界。该模型可用于研究深水和浅水地区波浪的浅水变形、折射、绕射和反射     

综合考虑多种变形因素的近岸规则波传播数学模型Ⅰ. 基本方程的导出

推广了Kirby的有环境水流影响的缓坡方程,得到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、波浪破碎多种变形因素的波浪传播控制方程,并给出了非线性因子、地形因子、底摩擦因子、水流因子的确定方法。基于导出的方程做进一步推导,得到了波高和波向为变量的综合考虑多种变形因素的波浪传播基本方程,该方程有许多优点:1)其绕开了求解波势函数的困难,将椭圆型方程的边值问题化为初值问题;2)直接求解波高和波向;3)可采用有限差分法离散求解,对空间步长没有限制,适合大面积海区波场计算;4)综合考虑了多种波浪变形因素,方程更为合理,5)容易处理波浪破碎问题。     

利用波能平衡方程研究波浪折射——绕射的数学模型及数值模拟

波能平衡方程是研究风浪要素及波能传播问题的很有效的方法，计算较为简单，在海洋学及海岸动力学中得到广泛的应用。本文采用考虑波能侧向传递机制和耗损制约的波能平衡方程组作为研究波浪折射——绕射变形的控制方程。对数学模型用差分法进行了数值模拟，并用两个例题进行了验证     

多层挡板桩基透空式防波堤消浪特性试验研究

本文回顾了已有的关于透空式防波堤的波浪透射率的理论计算方法,分析了多层挡板桩基透空式防波堤的消浪机理。结合防波堤断面波浪试验,探讨多层挡板桩基透空式防波堤的消浪特性。研究结果表明多层挡板桩基透空式防波堤能够显著消减波浪,它的应用突破了透空式防波堤仅适用于小尺度风浪水域的经验。研究发现影响防波堤消浪效果的因素中,挡板的透空率和设置方式的影响最为显著。文中提出的减小波浪透射率的方法可供设计部门参考。     

波浪的非线性显式弥散关系

波浪的非线性弥散关系在应用于求解波浪的变形问题时很不方便，需要与含非线性效应的缓坡方程一起进行迭代运算，往往导致数值计算的计算量太大，计算过于复杂。采用显式形式表达非线性弥散关系，可以克服上述缺点，大为简化波浪变形数值计算的计算量。本文通过将现有的非线性弥散关系进行分析比较，给出了一个更为一般的非线性弥散关系及其显式表达式，经比较可知，该显式弥散关系与相对应非线性弥散关系吻合的很好。本文最后用该显式结合含弱非线性效应的缓坡方程，对复式浅滩地形上的波浪折射绕射进行了计算。结果表明，考虑弱非线性可以得出与实验数据更为相符的结果，而采用显式弥散关系可以有效提高计算效率,在波浪的非线性计算中不失为一种切实有效的方法。     

内孤立波与平顶海山作用的能量耗散实验研究

内波破碎引起的能量耗散和混合是海洋内部的重要物理过程.通过在二维内波水槽进行实验室实验,分析内波与地形的作用,探究内孤立波与平顶海山地形作用时波要素、能量以及湍耗散率的时空变化.本实验利用重力塌陷法在两层流体中制造第一模态内孤立波,通过粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)获得...     

近岸区域波流耦合作用的数学模型

本文提出了一个讨论近岸波浪和波生流耦合作用的二维数学模型。在波浪场中运用波数矢量无旋和波作用量守恒方程求解波浪在波生流作用下的折射、绕射变形,以辐射应力作为波生流场的驱动力,考虑地转柯氏力和海底底摩擦的作用。文中采用Dingemans（1987）的地形对波流耦合作用进行了分析。数值计算结果表明波流耦合作用对近岸波浪场和波生流场的影响比较显著,在工程实际上应当综合考虑波流耦合问题。     

波浪非线性弥散关系及其应用

针对Hedges及Kirby等对Kirby和Dahymple的非线性弥散关系的修正关系,在小波陡时中等水深范围存在较大偏差的问题,给出了一个新的非线性弥散关系。比较可知,新的关系在小波陡时减小了中等水深范围内50％的误差,而在大波陡时能够保持其单调性,且形式上更为简练。将其应用于含弱非线性效应的缓坡方程进行数值验证,结果表明,采用新的非线性弥散关系得到的计算结果与实测结果更为吻合。