波浪布拉格共振研究进展

为给河口海岸防护工程设计和地形演变预测提供科学依据,研究了波浪从外海向近岸传播过程中在一定地形条件下产生的布拉格共振现象。介绍了波浪布拉格共振的定义、特征和研究意义,评述了现场观测、理论研究、水槽试验、数值模拟等4种研究方法的优缺点,总结了波浪布拉格共振类型、低阶共振反射系数公式和高阶共振数值模拟的研究成果,提出了波浪布拉格共振主频下移、不规则波布拉格共振特性、波流相互作用下布拉格共振机理等3个亟待深入研究的课题。

V形布局起伏地形上布拉格共振引起的波能聚焦特性研究

基于高阶谱(HOS)方法,文章建立了考虑起伏地形上三维布拉格共振的数值模型。基于该模型探讨了地形为V形空间布局时的波能聚焦特性,对比分析了地形不同夹角(α)下波能聚焦点处的聚焦效果。试验结果表明:V形布局中不同的α有着不同的聚波特性,通过优化α,可以很大程度上提高波能聚焦效果;当145°<α<180°时,波能聚焦效果较好,波能聚焦点处的振幅可达到初始入射波振幅的1.70倍以上,其中α=162.24°时,波能聚焦效果最优,最大振幅增大2.87倍。

布拉格共振条件下的高阶谐波特性研究

为了考虑波浪在周期性地形上传播时诱发的布拉格共振现象和高阶谐波之间的相互影响,本文基于时域高阶边界元方法,建立二维完全非线性数值波浪水槽,数值研究布拉格共振条件下周期性地形诱发的高阶谐波特性。研究发现:随着潜体高度增加,二阶自由波透射系数呈现先增大后减小的趋势,而其反射系数则持续增大。同时,随着潜体长度增加,二阶自由波透反射系数均呈现增大的趋势,并最终各自稳定于一定值附近振荡。在布拉格共振条件下,除了普遍认为的自由波,二阶锁定波也将发生共振反射现象;此外,在布拉格共振条件下,周期性地形迎浪侧的二阶谐波波幅会出现“拍”和“寄生拍”的组合现象,使得迎浪侧波浪场更为复杂,并增加极端大波出现的概率。

V形布局地形上不同频率入射波的布拉格共振特性研究

文章基于高阶谱方法建立了三维布拉格共振数值模型,研究了V形布局地形的夹角对不同频率入射波布拉格共振聚焦特性的影响。通过对比各组次波能聚焦点在20个周期内有效波高较初始波高的大小,发现不同频率入射波对应的最优V形布局地形夹角α均相等,且α=162.24°。在最优V形布局地形夹角下,发生布拉格共振后的波能聚焦区域对称分布,且对称轴上的波能聚焦区计算点的有效波高增幅最大,波能聚焦点均在对称轴上。当2k_(x)/k_(b)偏离1较大时,反射能量较少,波能聚焦点在地形上方;当2k_(x)/k_(b)接近1时,反射能量较多,波能聚焦点在地形前方x=10 m附近。

基于遗传算法的防波通道拓扑优化

为解决海洋工程领域中防波结构设计问题,本文利用人工周期结构中相同横向模式相干导致的布拉格共振原理,提出了一种基于遗传算法的拓扑优化设计方法。首先我们实现了防波通道中的水表面波位移场的有限元数值求解;然后将通道结构网格化,并使用对应的结构矩阵表示,同时以防波通道透过率谱为特征,引入材料最小化为目的构建了防波通道结构优化模型;最后使用遗传算法对代表通道几何形状的结构矩阵进行寻优,实现了周期结构的拓扑优化,并能根据工程目标的消波频率需求自动优化生成对应的防波通道结构。文中提出的拓扑优化方案为防波通道设计提供了不同的思路,并提高了设计效率。

太赫兹波导多通道滤波器的研究

研究了一种基于多模共振的多通道太赫兹波导滤波器。在太赫兹周期结构波导中引入缺陷,可以在禁带范围内形成通带,从而实现窄带滤波。通过数值模拟对多通道滤波器的特性进行了研究。结果表明,通过改变缺陷长度可以实现通道数可调的多通道滤波功能,通道数可达10~12个,透过率均在98%以上。此外,改变波导结构的周期个数,还可实现对通带带宽的调控,最窄带宽可达0.01 GHz。该波导滤波器性能优良,具有结构紧凑、易于集成、透过率高、通道多、带宽窄等优点,为太赫兹波段功能器件的研制提供重要的技术参考。

有限长正弦地形上的波浪传播问题研究

应用基于势流理论的频域边界元方法,研究了波浪在有限长正弦周期地形上的传播问题。开展了网格收敛性分析,并与物理模型试验结果做了对比,验证了数值方法的准确性。研究了正弦地形长度和幅度对水波反射率的影响,以及波浪在周期性地形上传播时的沿程波幅变化。研究发现,波浪反射系数随波数的变化及波浪幅值沿程的变化均呈包络状;当频率处于布拉格共振区域边缘且反射率为零时,周期地形上会出现极大的波幅;随海床波幅增大,第一布拉格共振带变宽且向低频移动。

聚焦波与多个潜堤相互作用的数值模拟

潜堤具有促淤保滩、防波等作用,在港口、航道等工程中应用广泛;极端波浪由于其瞬时出现、波高大、破坏力强,严重影响在航道中航行船舶的安全。为分析极端波浪与潜堤的作用机理,保护航行船舶安全,本文基于非静压模型SWASH (Simulating WAves till SHore),开展聚焦波与多个潜堤相互作用的数值模拟,研究矩形潜堤高度、宽度、间距和个数对聚焦波特征参数的影响。结果表明:多个潜堤能够有效地抑制极端波浪;随着潜堤高度、宽度、间距和个数的增加,聚焦波峰值下降,聚焦位置以及时间后移;当潜堤间距与潜堤宽度所对应的共振频率相近时,随着潜堤个数的增加,聚焦波能会显著地向倍频附近转移。