潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪传播变形和增水试验

为揭示潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪的运动特征,通过波流水槽试验对潮汐流存在下规则波的传播变形和增水规律进行了研究,测试了一系列的潮汐流流量并对比正向流、反向流以及无流的情况。研究结果表明:反向流使波浪破碎点向远海侧移动,正向流则使其向海岸侧移动,反向流存在时破碎带内的湍流较正向流时更为剧烈;反向流时破碎点附近入射波能量由主频波向高次谐波发生转移更为显著;潮汐流的存在对波浪反射、透射和能量耗散并无明显影响;正向流造成礁坪上波浪增水减少,反向流则促进增水的增长,增水最大值与潮汐流流量间存在显著的线性关系。研究成果可望为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考。

珊瑚礁破碎带附近波浪演化和波生流实验研究

为了研究珊瑚岸礁破碎带附近波浪演化和波生流特性,通过水槽实验对规则波浪作用下珊瑚岸礁上沿礁分布的水位和流速进行了详细的测量。在典型卷破波条件下,测试了礁冠存在与不存在的两种情况。实验结果表明,多重波浪反射作用引起岸礁上形成不完全驻波,而破碎带附近的浅化作用则产生高次谐波,波浪破碎所耗散的波能主要来源于主频波,礁坪上透射波成分中二次谐波与主频波的能量相当;礁冠的存在引起破碎带宽度减小、礁坪上增水变大以及礁坪上各次谐波变小;礁冠不存在时,岸礁上波生流的沿礁分布与平直海岸相似,而礁冠的存在一定程度上阻碍了礁坪上水体向外海的回流。研究成果将丰富和发展珊瑚礁水动力学理论,并为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考。

礁冠宽度对珊瑚礁坪波浪增水影响的实验研究

通过物理模型实验研究岸礁礁冠宽度变化对礁坪上波浪增水的影响,实验采用概化的岸礁和梯形礁冠模型,在一系列规则波工况下分别测试5种不同宽度的礁冠以及无礁冠模型。实验结果表明:礁冠宽度越大,波浪破碎造成的能量衰减越剧烈;礁冠的存在使礁坪上的波浪增水增大,且礁冠宽度越大,增水值越大;增水随礁冠水深的增大而减小,并引入了一对无量纲参数合理地描述了入射波波要素对增水的影响;运用文献中基于能量守恒的理论模型进一步研究了礁冠宽度对增水的影响,并给出模型中的礁形参数与实测的礁冠相对宽度间的经验关系式;通过分析同一礁冠水深控制下,相对增水随着礁冠相对宽度的变化趋势,发现只有在礁冠充分宽的情况下礁冠水深才是控制礁坪上增水的主要因素。

基于Navier-Stokes方程珊瑚岛礁附近孤立波传播变形数值模拟

为了分析珊瑚岛礁附近的孤立波的传播变形特征,本文基于Navier-Stokes方程利用Open FOAM开源程序包建立三维波浪数值水槽,数值模型采用大涡模拟法(LES)模拟湍流和修正的流体体积法(VOF)捕捉自由液面,并通过文献中的实验数据进行了模型验证。相较于传统的沿水深积分的Boussinesq模型,该模型可以更为准确地模拟水平流速的垂向分布,并且对波浪破碎和干湿交界线的模拟不需要人为的干预。研究发现所采用的模型能够合理的模拟孤立波在珊瑚礁礁前斜坡上的浅化、礁缘附近的破碎以及破碎波在礁坪上的演化过程,并能适应礁前斜坡坡度和礁坪淹没水深的变化以及礁冠存在的情况。研究结果为进一步认识珊瑚礁对海啸灾害的防御作用提供参考。

非淹没刚性植被影响下孤立波在岸滩上的爬高

为探究海岸刚性植被对海啸波的削弱效应,通过物理模型试验和数值模拟研究了孤立波与不同坡度岸滩上非淹没刚性植被的相互作用问题。物理模型试验在波浪槽中进行,测试了不同的入射波波高、植被密度和岸滩坡度对孤立波爬高的影响,并运用物理模型试验数据校核改进后的Boussinesq方程,得到植被的拖曳力系数。结果表明:拖曳力系数随植被密度的增大而增大,随坡度增大而减小;植被后的无量纲透射波高和无量纲岸滩爬高随着无量纲的入射波高的增大而减小,随着植被密度的增大而减小;当岸滩坡度增大时,无量纲透射波高增大而无量纲爬高并无显著差异。最后根据回归分析得出了岸滩爬高与相对入射波高、植被密度和岸滩坡度的幂函数型经验关系式。

人工采掘坑影响下珊瑚礁海岸波浪传播变形试验

基于礁坪上高分辨率的波浪测量,通过波浪水槽试验分析了短波、低频长波、平均水位、波形参数和非线性参数的沿礁变化规律,重点探讨礁坪中部存在人工采掘坑对上述波浪传播变形特征的影响,并与无坑的情况进行对比。研究表明:当人工采掘坑存在时,短波波高在坑前和坑内分别增大和减小,在礁后岸滩附近却无显著变化;低频长波波高在坑附近变化不大,在岸滩附近却略微减小;波浪增水在坑和岸滩附近均无显著变化。采掘坑存在的情况下,波浪的偏度和不对称度在坑附近分别减小和增大,而厄塞尔数在坑附近却几乎不变。相关性分析发现低频长波的产生机理几乎不受采掘坑的影响,采掘坑的存在增加了低频长波的反射,破坏了礁坪的共振模式,从而使低频长波在岸滩附近有所削弱。

粗糙珊瑚岸礁礁面附近波浪增水实验研究

通过在波浪水槽中采用概化的珊瑚岸礁物理模型来研究珊瑚礁海岸附近波浪增水的变化规律,包括平均自由表面的沿礁变化以及礁坪上的最大增水值。物理模型实验分别测试了不同礁面糙率密度影响下的一系列不规则波工况。结果分析表明:礁面粗糙时礁坪上的透射波高和最大增水值均相对于礁面光滑时减小;通过两个无量纲参数分析表明光滑礁面时,礁坪上最大增水随波要素的变化规律与此前研究数据基本吻合,前人研究推荐的无量纲数ηr/T gHS0 和(ηr+hr)/HS0 需考虑礁面粗糙度的影响;礁面粗糙程度不同时,礁坪上的透射波高随礁面糙率密度的增大而减小,礁坪上的最大波浪增水则随之增大;最后通过沿水深积分对波浪求平均的水平一维动量方程解释了本实验的观测现象。

珊瑚礁礁坪宽度对波浪传播变形及增水影响的实验研究

通过在波浪水槽中进行一系列物理模型实验,研究珊瑚礁礁坪宽度变化对珊瑚礁海岸附近波浪传播变形及礁坪上波浪增水的影响。物理实验采用理想化的珊瑚礁模型,测试了3种礁坪宽度下的一系列不规则波工况。实验结果分析表明:波浪沿礁传播过程中,短波持续衰减;低频长波波高沿礁逐渐增大,直到海岸线附近达到最大;随着礁坪宽度的增加,海岸线附近的短波波高呈下降趋势,低频长波波高的变化规律不显著;礁坪上的波浪增水受礁坪宽度变化的影响不明显;通过对海岸线附近的波浪进行频谱分析发现,礁坪上低频长波的运动存在着一阶共振模式,且共振放大效应强度受礁坪水深、入射波峰周期和礁坪宽度共同影响。