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。     

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。     

波浪传播数值模型波向角计算

波浪传播变形数值模型的抛物型近似在近海工程大范围水域的波浪推算中应用十分广泛，本文就抛物型缓坡方程（PMSE）数值计算中波浪方向的计算作了分析。首先从椭圆型缓坡方程（MSE）推导了波向角的计算方法；然后介绍大范围水域波浪折射绕射传播变形缓坡方程的抛物型近似法以及波向角的计算；最后，利用抛物型缓坡方程和椭圆型缓坡方程法分别对Berkhoff实验室地形条件下波浪场进行计算，比较两种方法计算得到的波向线图。比较结果显示抛物型缓坡方程法计算波向角结果与椭圆型缓坡方程法计算结果是一致的，抛物型近似法计算波向角是可行的。     

计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,提出了岛体边界条件,利用缓坡方程建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型。模型适用于变水深水域问题,克服了解析解只能适用于等水深水域的不足。直立圆柱和无穷小厚度岛式防波堤周围波浪传播的数值算例表明,数值解与解析解吻合良好,说明所建立的数值模拟模型能有效地模拟复连通区域内的波浪传播。矩形固定式防波堤周围波浪场的数值模拟说明该模型对工程实际有较强的适应性。     

一种扩展型缓坡方程的时域计算模式

该文通过引入有效波面函数,把考虑海底摩擦、波浪破碎、陡变和快变地形等因素影响的扩展型缓坡方程,化为最简形式的时间双曲型缓坡方程.基于此方程和非线性振幅频散关系,建立了波浪传播的数值模拟模型,并对数值格式进行了误差分析,结果表明由于耗散项的引入,数值格式的稳定性较文献[1]得到了提高.数值解与物理模型实验值和解析解吻合良好,表明模型可以对近岸波浪传播过程中折射、绕射、反射、浅水变形、海底摩擦、波浪破碎和弱非线性等因素的影响进行较好地预测.     

缓坡方程的有限分析数值模式

基于时间关联的双曲型缓坡方程,采用九点有限分析法,建立近岸波浪传播变形的数值模式,在对时间关联的双曲型缓坡方程数值离散时,空间导数采用九点有限分析法,时间导数仍采用有限差分法,再采用质量集中方法得到本文的数值模式。为了验证本模式的数值精度和有效性,分别对Berkhoff(1972)实验和突堤地形进行数值模拟,结果表明本模式的模拟值与物理模型试验值、解析解及有限差分模式的模拟值吻合良好,表明本模式可以对近岸波浪传播过程中折射、绕射、反射、浅水变形、波浪破碎和弱非线性等因素的影响进行较好的预测。     

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。     

基于SWASH模型的近岸波浪传播变形数值模拟

SWASH模型是一种新型的非静压时域波浪模拟。为了探讨SWASH模型对于解决近岸波浪传播变形问题的适用性,在对其控制方程、边界条件、数值解法等进行介绍的基础上,采用该模型分别模拟了正向规则波、斜向规则波和斜向不规则波入射条件下L形防波堤附近水域的波浪场和波生流场,并与物理试验结果进行对比。结果表明,SWASH模型较好地复演了波浪在近岸区域所发生的浅水变形、折射、破碎,以及堤前反射、堤内绕射等物理现象,波高沿断面的定量分布与试验结果吻合良好,同时较好地模拟了不同波况下防波堤附近水域的波生流场,说明该模型适用于复杂岸线和地形条件下波浪传播变形的数值模拟。     

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。     

直立岛式结构物周围波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,基于时间关联型缓坡方程和相应的边界条件,建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型.该模型不仅适用于变水深问题,而且适用于模拟线性波浪的时间和空间演化过程.对直立岛式防波堤及直立方柱周围波浪传播变形的数值模拟表明,所建立的模型能够有效地模拟计算域内存在直立岛式结构物的波浪绕射和反射问题.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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     

Numerical simulation of wave transformation,breaking and runup by a contravariant fully non-linear Boussinesq equations model

In this paper we propose a new model based on a contravariant integral form of the fully non-linear Boussinesq equations(FNBE) in order to simulate wave transformation phenomena, wave breaking, runup and nearshore currents in computational domains representing the complex morphology of real coastal regions. The above-mentioned contravariant integral form, in which Christoffel symbols are absent, is characterized by the fact that the continuity equation does not include any dispersive term. The Boussinesq equation system is numerically solved by a hybrid finite volume-finite difference scheme. A high-order upwind weighted essentially non-oscillatory(WENO) finite volume scheme that involves an exact Riemann solver is implemented. The wave breaking is represented by discontinuities of the weak solution of the integral form of the non-linear shallow water equations(NSWE). On the basis of the shock-capturing high order WENO scheme a new procedure, for the computation of the structure of the solution of a Riemann problem associated with a wet/dry front, is proposed in order to simulate the run up hydrodynamics in swash zone. The capacity of the proposed model to correctly represent wave propagation, wave breaking, run up and wave induced currents is verified against test cases present in literature. The results obtained are compared with experimental measures, analytical solutions or alternative numerical solutions. The proposed model is applied to a real case regarding the simulation of wave fields and nearshore currents in the coastal region opposite San Mauro Cilento(Italy).     

坡地自然降雨入渗产流的数值模拟

从动量定理和水量平衡原理出发，推导出自然降雨条件(即同时考虑变雨强、降雨动量和风影响下的坡地径流过程)下的坡地径流基本方程。在考虑一般问题定解条件的基础上，采用Preissmann隐式格式对模型进行数值求解。利用在江西省水土保持生态科技园内的10组实测资料对模型进行了验证，其计算值与实测值的相对误差不超过±11％；说明模型的计算结果是可靠的，提出的自然降雨条件下坡地径流模型是可行的。     

WATER WAVE SIMULATION IN CURVILINEAR COORDINATES USING A TIME-DEPENDENT MILD SLOPE EQUATION

The purpose of this article is to model the detailed progress of wave propagation in curvilinear coordinates with an effective time-dependent mild slope equation. This was achieved in the following approach, firstly deriving the numerical model of the equation, i.e., Copeland's hyperbolic mild-slope equation, in orthogonal curvilinear coordinates based on principal of coordinate transformation, and then finding the numerical solution of the transformed model by use of the Alternative Directions Implicit (ADI) method with a space-staggered grid. To test the curvilinear model, two cases of a channel with varying cross section and a semi-circular channel were studied with corresponding analytical solutions. The model was further investigated through a numerical simulation in Ponce de Leon Inlet, USA. Good agreement is reached and therefore, the use of the present model is valid to calculate the progress of wave propagation in areas with curved shorelines, nearshore breakwaters and other complicated geometries.