王海珑[1]2004年在《基于Boussinesq方程的波浪分层数值模拟方法》文中研究表明波浪要素是海岸工程和近海设计所要考虑的主要因素之一。对波浪进行精确的模拟在实际工程中意义非常重大。本文在回顾了近几十年中对波浪进行数值模拟的模型,提出了一种基于Boussinesq方程的分层模型。其主体思想为:将垂直流速断面进行分层,在每一层中对流速断面进行积分,求得出每一层的平均流速,用此平均流速来代替每一层的流速,并加上各层间界面的边界条件以求出各波浪要素。这里着重讨论了一层及二层模型,一层模型即我们所熟知的Boussinesq方程模型。一层模型在kh≈3时表现出良好的线性色散性,在中等水深处,非线性表现出比线性更大的相对误差。通过改进非线性可以使其精度达到kh≈3。二层模型在kh≈8时表现出精确的线性特性,在kh≈6时,表现出精确的非线性性。模型方程采用的数值计算方法为有限差分法中的预测-校正方法,在预测阶段采用叁阶Adams-Bashforth显示格式,在校正阶段采用四阶Adams-Moulton隐式格式。同时在动量方程中加入底部摩擦和波浪破碎项,将这两者考虑到模型方程中去。动边界采用移动边界法的线性外推法进行处理。四周边界采用吸收边界和固壁直墙边界,吸收边界采用的是海绵层吸收层,通过设置一定波长的海绵吸收层可以对波浪的吸收达到很好的效果。文中在对一维问题求解时列举了规则波经过淹没潜堤时的传播变形例子,通过对二层模型和一层模型数值结果与实验数据相比较,可以看出采用二层模型可以很好地再现出波浪经过潜堤后的二、叁次谐波的生成,同时精度上也得到提高。另外列举了孤立波在斜坡上的爬坡例子,再现了孤立波从爬坡到破碎的整个过程。Boussinesq方程波浪模型与其它波浪模型相比最大的优点是在求解二维问题上的优越性。因此,在运用模型方程求解二维问题上进行更加深入的探讨。在求解二维问题中列举了规则波经过淹没椭圆形浅滩的例子,通过与实验数据相比较可以看出采用该模型方程可以很好地模拟二维波浪场演化问题。其次列举了实际工程中某港深水航道对波浪传播变形的例子,通过数值模拟可以看出航道经开挖后,深水航道对波浪的传播变形影响很大,这对实际工程的建设有着现实的指导意义。
陈杰[2]2008年在《波浪在斜坡上的传播变形及与潜堤相互作用研究》文中进行了进一步梳理深入研究和理解近岸海区的波浪要素特性及其作用下底部流动特性,波浪与潜堤相互作用关系,具有重要的理论意义和现实意义。本文在总结前人工作的基础上,对斜坡床面上不规则波浪要素及其作用下底部的流动特性研究进行实验观测,同时对斜坡床面上波浪与潜堤的相互作用进行实验研究和数值模拟。利用浪高仪采集波高数据,运用统计分析方法,得到斜坡床面上不规则波统计特征值、波高累计率和出现率、波高绝对值概率分布、波高-周期联合概率分布的变化规律。运用谱分析方法,掌握不规则波浪波能的变化规律,并将两方面分析结果相结合,得到斜坡床面上不规则波浪要素与谱的关系。利用ADV测量流速数据,运用统计学对不规则波作用下水平和垂向流速的平均值、最大值、最小值、峰度系数、偏度系数、流速概率密度分布、速度标准差进行分析。通过谱分析,对紊动流速能量谱密度进行研究,得到不规则波浪作用下流速沿斜坡和沿水深的变化规律。对斜坡床面上波浪与潜堤相互作用进行研究。通过对波浪不对称参数分析,得到规则波通过潜堤前后波浪外观形态的变化规律。运用谱分析,得到规则波和不规则波内部能量结构的变化趋势。结果显示,堤顶水深大小是波浪内部能量变化重要的影响因素。在波浪水槽实验的基础上,提出斜坡上潜堤透射系数的定义,分析研究规则波和不规则波作用下斜坡上潜堤透射系数与相对堤顶水深,潜堤的相对高程以及相对位置的关系。研究表明相对堤顶水深是影响斜坡上潜堤透射系数最重要的因素,透射系数随着相对堤顶水深的增大而增大。利用潜堤实验数据验证基于Boussinesq方程的波浪分层模型的适用性和精度。开展数值模拟,研究不同堤顶宽度对波形不对称性和波浪内部能量结构变化的影响。
白志刚, 王海珑[3]2005年在《基于Boussinesq方程的波浪分层数值模拟方法》文中指出对波浪进行精确的数值模拟一直是人们所关注的,采用在Boussinesq方程的基础上将垂向流速断面进行分层,在每一层中对流速断面进行积分,求得各层平均流速,用此平均流速来代替每一层的流速,并在各层间加上界面边界条件,以求出流速和自由表面位移,这样可以得出精确的波浪数学模型。本文例举了规则波经过淹没潜堤时的传播变形实验,验证了二层Boussinesq模型在实际运用中的精确性。
李孟国[4]2002年在《海岸河口水动力数值模拟研究及对泥沙运动研究的应用》文中认为本文研究了海岸河口水动力(潮流、波浪、波生近岸流)及其引起的泥沙运动的数值模拟问题。从科学性和应用的有效性、方便性和实用性考虑,在对海岸河口水动力与泥沙运动的数值模拟研究进行了全面系统的总结和回顾基础上,针对海岸河口海区的特点和已有数值模拟方法的缺陷和不足,通过理论上和数值技术上的研究改进,建立了多套水动力与泥沙运动的数学模型,这些模型都得到了实际应用的验证;另外,开发了关于不规则叁角形网格的若干实用技术,综合介绍了有关泥沙模型中的若干参数的确定方法。实际应用结果表明,本文建立的多套数学模型能满足目前的海岸河口水动力与泥沙运动的数值模拟的需要,并且方便有效。本文的主要研究成果如下:1.根据线性波动的迭加原理和波浪方向谱理论,推导出了非缓坡非均匀流场中考虑非线性弥散影响和底摩擦作用的多向不规则波传播的折射绕射方程;结合有限差分方法建立了综合考虑多种因素(非线性弥散影响、非缓坡地形、水流、波浪破碎、岛屿影响、底摩擦波能损失、折射、绕射)的多向不规则波(随机波)传播变形数学模型,该模型适合于海岸河口附近大面积复杂地形海区波浪场计算;2.对波生近岸流基本方程理论和辐射应力理论进行了改进,加入了反映波浪破碎作用的项,使基本方程和辐射应力在破碎带内更为合理;3.建立了基于矩形和叁角形两种网格的二维潮流、考虑波浪作用的二维潮流、二维波生近岸流及二维泥沙运动的多套有限差分数学模型;考虑波浪作用的二维潮流数学模型和考虑水流作用的波浪数学模型联立求解即构成波浪潮流耦合的数学模型;
何栋彬[5]2017年在《Boussinesq数值模型与非静压模型在岛礁水动力计算中的应用》文中研究指明岛礁区域的水动力问题具有水深跨度大、地形变化剧烈的特点,是近年众多学者研究的热点。岛礁上波浪破碎剧烈,非线性作用强,流动状态复杂多变,波浪组成成分复杂,长短波共存。本文使用Boussinesq数值模型和基于欧拉方程的非静压模型,在对模型验证的基础上,开展岛礁区域的波浪传播变形的数值模拟。基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。在上述基础上,研究分析不同礁前斜坡坡度和礁坪上方水深对于波浪传播变形的影响。本文的非静压模型仅初步建立,尚处于开发完善阶段。模型控制方程为?坐标系下的欧拉方程,在矩形网格系统中,应用具备Godunov性质的有限体积-有限差分混合格式进行离散,其中速度定义在网格中心,压力定义在网格界面,以方便准确施加压力边界条件。数值通量使用MUSTA格式计算得到,时间积分为一阶显式欧拉格式,每一时间步动压力的求解分为预测步和校正步进行。非静压模型中引入的破碎处理模式不需要依赖于波浪破碎指标及额外的经验性公式。通过相应的数值实验初步验证了模型的部分性能,并将模型用于礁坪地形上波浪传播的数值模拟,结果表明,对于礁坪地形上的破浪剧烈破碎的情况,模型无法就波高及平均水位变化给出准确的计算值,说明模型仍存在很大的不足,需要进一步完善。
王培涛, 于福江[6]2012年在《基于Boussinesq方程近岸波浪演变的数值研究》文中认为首先对目前描述近岸波浪传播变形的数学模型进行了回顾与总结;对不同数学模型的特点、适用范围和发展情况进行了阐述与对比。应用基于Boussinesq方程的Coulwave模式针对几个经典实验地形进行了数值实验,数值结果和实验实测数据吻合较好。此外,分别采用不同的近岸波浪模型模拟了某渔港附近波浪的传播变形,结果表明:当考虑波浪的折射、绕射、反射联合作用时,Coulwave模式计算结果明显较缓坡方程及SWAN模型计算结果更加合理。
余向军, 张永刚[7]2010年在《基于分层Boussinesq类模型的孤立波爬坡模拟》文中指出波浪爬坡是自然界中普遍存在的现象,是近岸防波堤等结构物设计需要考虑的因素。本文采用分层Boussinesq类方程对近海岸波浪爬坡开展数值模拟研究,采用有限差分方法数值离散二层Boussinesq类方程,建立数值波浪模型。根据Synolakis 1986年的物理实验,数值模拟孤立波在梯形水道上的爬坡,验证了分层Boussinesq方程波浪模型在该研究中具有很好的适用性和较高的精度。模型较好地预报了波浪爬高的变化趋势。预报的波浪爬坡高度大于实验测量值,主要原因是实际的底摩擦大于模型中的底摩擦。
陈丽芬[8]2011年在《波流混合作用的完全非线性数值模拟》文中研究说明波流相互作用是一种十分普遍的自然现象,流能使波浪变形,并改变波浪谱,影响设计波参数的确定；对于确定的设计波流参数,波流之间的非线性相互作用改变了波流场。潜堤是一种修建在近岸区域的,常用的护岸建筑物,可以防止岸滩侵蚀,而近海海域存在沿岸流。故本文应用完全非线性时域理论,建立波流相互作用的完全非线性数值水槽模型,并对均匀水流情况下完全非线性单色波及双色波群在潜堤地形上的传播变形进行了数值模拟。应用开发的数值模型记录淹没潜体后某两点处的波面时间历程,提出分离淹没潜体后高阶谐波的两点法。本文所建立的数值水槽模型以Laplace方程为基本控制方程,自由表面满足完全非线性自由水面条件。在时域计算中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,利用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势。在整个计算域内应用镜像格林函数以减少计算量。本文通过在自由表面运动学和动力学边界条件同时加入阻尼项的形式在入射边界和出流边界前分别布置了阻尼层,使得整个数值模型能够在有限域内进行长时间的模拟。为了验证数值模型的准确性,在大连理工大学港口海岸及近海工程国家重点实验的波流水槽(长×宽×高：69m×3m×1.8m)中开展了物理实验,记录并观察了波流同向、纯浪、波流反向情况下,波浪在常水深、潜堤地形上的传播变形过程。潜堤断面型式包括前斜坡潜堤、直立潜堤和后斜坡潜堤叁种。通过与已发表的数值结果,实验结果以及本文实验结果的对比可知,本文数值模型可以准确模拟单色波和双色波群在波流同向、纯浪、波流反向情况下,在常水深、潜堤地形上的传播变形过程,重点研究了流的存在及潜堤的断面型式对波浪非线性、高阶谐波以及反射系数等的影响。利用本文数值水槽模型模拟记录潜堤、淹没矩形潜体后两点处的波面时间历程,利用傅里叶变换及叁角函数的正交性,对堤后、淹没矩形潜体后某点处的波面时间历程进行分离,得到各倍频自由波和锁定波的幅值、相位角,重点研究了不同入射波参数、静水深、潜体坡脚等对潜体后各倍频自由波的影响。
荆海晓[9]2014年在《浅水非线性色散波模型的优化及在波生流问题中的应用》文中研究说明波浪是海洋中的重要动力因素，在海岸工程结构物的设计、近岸海域物质的输运模拟中都需要考虑波浪的影响。波浪在向海岸线的传播过程中，由于地形的变化会发生折射、绕射、浅化、非线性变形甚至破碎产生近岸流以及在结构物附近的反射等，基于Boussinesq类方程的浅水非线性色散波模型可以较为准确模拟水波的这种复杂运动，近年来得到了快速的发展，并在海岸工程设计中的波浪后报，波生流的数值模拟等方面得到了较为广泛地应用。为了进一步改善Boussinesq类方程的非线性和色散性，一些高精度的Boussiensq类方程中引入了高阶偏导数项或增加了求解方程的个数，使得方程的数值求解过程中存在边界处理困难及求解效率降低的问题。另一方面，由于Boussinesq类方程是一种相分辨的方程，可以利用基于该类方程的模型来研究近岸区域的波生流问题。本文研究主要将针对这两方面的内容展开。为了在不引入高阶项的同时，改善Boussinesq类方程的非线性和色散性，使其精度得到提高，从叁维水波运动的Euler方程出发，通过改变方程中代表速度的形式，推导出了一组含有五个自由参数的低阶Boussiensq类方程，并对该方程的特性进行了理论分析，采用最小化整体误差的方法对方程中的自由参数取值进行了优化。理论分析和数值模拟实验表明，用优化后的代表速度，对Boussinesq类方程的非线性和色散性有一定的改善。下Sc，h推f对fe改导r和善出了M低a阶一ds组eBno低提us阶出sin的的es B改q类方程的非线性的方法进行了进一步系统的研究，对ou进ss方ine程sq特类性方的程方，法用进扩行展了后扩的展方。法在对基该于方ε=程O的(非)线假性定进行了改进，得到了一组改进了非线性的低阶Boussinesq类方程。该方程的理论分析和模型的数值实验表明，本文改进的方程相比改进前的方程及Wei等所得的方程，非线性特性有了明显地改善，方程的适用范围得到扩展。采用有限差分方法对改进方程进行了数值离散，时间上采用四阶预测-校正格式，并引入了源项造波、开边界前加“海绵层”吸收波浪及窄缝法模拟动边界等数值技术。采用Von Neumann稳定性分析法对离散格式的稳定性进行了分析。采用解析解、实验结果及其他数学模型的结果对所建立的模型进行了验证，结果显示本文所建立的数学模型稳定、可靠、精度高。为了将所建立的模型进一步应用于近岸破波区波浪传播和波生流问题的研究中，加入了波浪破碎模型、亚网格湍流混合模型及底摩阻。采用实验数据对所建立的模型模拟波浪破碎的能力及精度进行了验证。结果显示，模型可以很好地模拟不同类型的波浪破碎。利用所建立的模型研究了地形变化对波生流流场的影响。结果表明，地形沿岸方向的不均匀分布对波生流流场分布、大小及发展有一定的影响。
崔坤明[10]2016年在《近岸刚性植被水域波浪传播的数值模拟分析》文中提出海岸植被能有效地降低波浪对岸滩的侵蚀作用。波浪在植被水域传播过程中,部分波能将被消耗,波高随之衰减,有效地降低了波浪对岸滩的侵蚀作用；同时,随着波高的衰减,波浪的物质输运能力也随之降低,对近岸水环境的演变有重要影响。然而,随着海岸资源的开发以及海岸工程的修建改变了该区域原有的植被形态及分布,影响到海岸波浪、流等水动力的运动环境,并对近岸物质输运产生重要影响。因此,研究近岸植被影响下波浪的传播变形对分析近岸资源开发对近岸水动力及物质输运、岸滩稳定等有重要理论指导和工程应用价值。本文基于Boussinesq方程的波浪运动模型建立了近岸刚性植被水域波浪传播的数值模型,在对所建模型的可靠性进行验证的基础上,利用该模型模拟分析了植被特征参数以及入射波要素对波浪的传播变形、孤立波的爬坡运动的影响,得出结论如下：(1)波浪在近岸植被水域传播运动过程中,随着植被密度、植被淹没高度的增加,入射波的波能损耗程度、波高衰减程度愈加剧烈。(2)波浪在植被水域传播运动过程中,入射波的波能损耗与植被区域的分段方式密切相关。假设植被总量一定,与单段植被的分布方式相比,分段植被的排列方式能更大幅度地耗损入射波的波能,但随着分段次数的增加,波能损耗程度趋于稳定。(3)波浪在近岸植被水域传播运动过程中,随着入射波波高的增加,入射波的波能损耗程度、波高衰减程度愈加剧烈。(4)在孤立波在爬坡运动过程中,植被的特征参数对孤立波的爬坡、退水过程有着重要影响。分析发现,植被的存在能有效地耗损孤立波的波能,降低孤立波的爬高,使植被区域前的水位产生一定程度的壅高,且孤立波的爬坡时刻会有一定程度的滞后,退水时刻有一定程度的提前；随着植被密度、植被淹没高度的增加,孤立波波能损耗程度愈加剧烈,植被区域前水位的壅高程度会加强,且孤立波爬坡时刻的滞后程度和退水时刻的提前程度会越来越强；此外,斜坡上植被的分布方式对孤立波爬坡过程也有重要影响。
参考文献：
[1]. 基于Boussinesq方程的波浪分层数值模拟方法[D]. 王海珑. 天津大学. 2004
[2]. 波浪在斜坡上的传播变形及与潜堤相互作用研究[D]. 陈杰. 长沙理工大学. 2008
[3]. 基于Boussinesq方程的波浪分层数值模拟方法[J]. 白志刚, 王海珑. 中国港湾建设. 2005
[4]. 海岸河口水动力数值模拟研究及对泥沙运动研究的应用[D]. 李孟国. 青岛海洋大学. 2002
[5]. Boussinesq数值模型与非静压模型在岛礁水动力计算中的应用[D]. 何栋彬. 大连理工大学. 2017
[6]. 基于Boussinesq方程近岸波浪演变的数值研究[J]. 王培涛, 于福江. 海洋预报. 2012
[7]. 基于分层Boussinesq类模型的孤立波爬坡模拟[J]. 余向军, 张永刚. 科技导报. 2010
[8]. 波流混合作用的完全非线性数值模拟[D]. 陈丽芬. 大连理工大学. 2011
[9]. 浅水非线性色散波模型的优化及在波生流问题中的应用[D]. 荆海晓. 天津大学. 2014
[10]. 近岸刚性植被水域波浪传播的数值模拟分析[D]. 崔坤明. 大连理工大学. 2016