浅滩地形上波浪破碎对低频波能放大的影响

低频长波对港湾共振、泥沙输运、波浪爬高与越浪等过程有重要影响。采用非静压模型SWASH模拟了不规则波在浅滩上的传播及破碎过程,重点探讨了滩顶短波破碎程度对低频波能演变的影响。模拟结果显示,当滩顶短波处于临界破碎状态时,低频波能流沿浅滩持续增长,浅滩对低频长波的放大效应(滩后与滩前低频波能流之比)显著;当滩顶短波轻微破碎、破波仅发生在外破波区时,低频波能流的沿滩增长率进一步变大;当滩顶短波剧烈破碎、破波延续到内破波区时,低频波能流沿滩先增长而后转为衰减,滩后放大率较临界破碎时明显减小。研究结果表明,浅滩顶部水深改变了短波破碎程度,进而影响低频长波的演化过程,浅滩上长波总体增长率随滩顶水深的减小呈现先增大后减小的规律,在短波轻微破碎时最大。

基于波形不对称性的波浪破碎指标

为了探寻波浪破碎与波形不对称性的关系,通过对1/200缓坡上波浪破碎实验研究结果的进一步分析,运用最小二乘法,拟合了波形不对称性参数与相对水深的关系,以及用波形不对称性参数表示的波浪破碎指标表达式。所得规则波的结果与Kjeldsen的深水波结果相同,而不规则波的结果比规则波的小。研究还表明,这一破碎指标与相对水深有关系,随着水深变浅,指标值增大。

一种改进的近岸波浪破碎数值模型

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎。模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟。岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算。用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果。紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡。

海岸带波浪破碎区污染物运动的实验研究

由于波浪在岸滩上的演化、破碎使得污染物在海岸带的运动规律变得十分复杂。通过实验模拟,研究了缓坡海岸(坡度为1∶100和1∶40)波浪破碎区污染物的运动规律,给出了不同时刻污染物在该区域的运动变化趋势。讨论并分析了在斜向规则入射波、不规则入射波及不同入射波波高作用下污染物在沿岸波浪破碎区域的运动变化方向和相应的运动范围分布规律。给出并分析了近岸波浪破碎区域污染物运动分布规律。

复合坡度珊瑚礁地形上波浪破碎的试验研究

通过波浪水槽试验,研究了珊瑚礁地形上规则波的破碎特征,包括破碎类型、破碎波高、破碎位置以及破碎带宽度。试验在带礁缘的复合坡度断面下进行,测试了两种水位下系列波高和波周期相组合的工况。试验研究了波浪破碎类型的区分标准,评估了已有四类破碎指标在复合坡度珊瑚礁地形上的适用性,并给出了描述破碎位置和破碎带宽度的经验公式。结果表明:礁边水深深水波高比可较好地区分波浪的破碎类型;四类破碎指标关系式中以破碎波高深水波高比之于深水波陡的相关性为最优;深水波高和礁边水深是影响破碎位置和破碎带宽度的主要因素,随着深水波高礁边水深比的增大,量纲一破碎位置(破碎点与礁边的距离和礁边处浅水波长的比值)逐渐减小,量纲一破碎带宽度(破碎带宽度和礁边浅水波长的比值)逐渐增大。

同化海温观测数据研究波浪破碎对海洋上层结构的影响

首先利用考虑波浪破碎效应的Mellor-Yamada 2.5阶湍流闭合方案,探讨了海表温度(SST)对波能因子α和Charnock数β的敏感性问题。然后采用变分数据同化途径,基于Papa海洋天气站(OWS Papa Station)的上层温度观测数据,对该参数化方案中的波能因子α和Charnock数β两个参数进行了最优估计。最优估计的结果表明,当α约为167、β约为4.1×105时,价值函数达到最小值。利用上述参数的最优估计进行海温的数值模拟,可以较好地反映出海表温度的日变化和月变化过程,模拟的上混合层的温度和深度也与观测较为一致。最后利用以上参数的最优估计结果对湍动能方程进行诊断计算,研究了波浪破碎对海洋上层湍能量收支的影响。

基于水槽实验的近岸波浪破碎计算研究

将前人波浪破碎计算及判定公式进行汇总、整理并分成3类;同时,为了对选取公式进行比较,文还将上述公式分为两类破碎波高计算模型,一类是直接计算模型;另一类是联立拍岸浪波高计算模型与破碎判据,建立的间接计算模型。在此基础上,结合实验数据,对破碎波高和破碎指标进行误差分析得出,间接计算模型中,Goda提出的破碎判据效果最好,为下一步拍岸浪精细化预报以及其区域计算模型的建立提供参考。

基于缓坡方程在岛礁地形上波浪破碎的模拟研究

波浪从深海传至近岸岛礁时,一般需要经过落差较大的礁坪边缘,水深急剧变化,导致波浪在传播过程中发生破碎,因此准确模拟波浪的破碎过程以及破碎后的波高大小,对于岛礁海岸工程建设具有重要的意义。缓坡方程是描述近岸波浪传播变形较好的数值模型之一,文章在采用自适应有限元求解缓坡方程所建立的数值计算模型的基础上,引入描述波浪破碎的模型,建立可以描述波浪破碎影响的近岸波浪数值模型。基于二维岛礁地形上的波浪实验,比较分析了4种不同的波浪破碎能量损失因子,给出了适合于岛礁地形条件下波浪传播破碎模拟的模型。

深水波浪破碎时波浪演化特征实验研究

采用能量聚焦的方式产生深水破碎波,并通过增加输入波陡使发生不同强度的波浪破碎现象。实验中,沿水槽中心位置布置22个浪高仪,分析波浪传播过程中的波面演化特征。对水槽不同位置处波面数据进行波能谱与小波能谱分析,发现在聚焦波传播过程中,低频能量部分保持相对稳定,而一次谐波高频部分先逐渐拓宽,经过破碎区域后又逐渐恢复。能量在高频部分有所损失,这种现象在破碎时更加明显,且破碎强度越大,越显著。波浪未破碎时,由于波浪传播过程中高频部分拓宽,导致聚焦前后特征频率略有增加,特征群速和特征周期略有减小;当波浪破碎时,由于破碎导致的能量损失比较明显,且卷破时更加明显,导致破碎后特征频率减小,特征群速和特征周期增大。

改进的二维数值波浪水槽在波浪破碎中的应用

Song和Banner(2002,简称SB02)利用二维数值波浪水槽(Drimer和Agnon开发,并被Segre改进,简称DAS)研究了深水及中等水深下波群破碎,并依据波群内部能量调制和演变特性提出一个新的波浪破碎阈值.本文利用两个DAS改进模型对SB02的波浪破碎结果进行检验和比较,并研究底面斜坡坡度对SB02破碎判据的影响,其中第一个改进模型(简称MDAS1)修正了DAS中某些积分的计算错误,第二个改进模型(简称MDAS2)在自由表面上用三阶元取代原来的线性元.研究表明:MDAS1和DAS的结果非常一致;而MDAS2和MDAS1相比,波浪临界破碎时的造波板振幅、破碎时刻和局部能量极大值的最大平均变化率δmax都会发生变化,但MDAS2仍然符合SB02提出的破碎阈值.由MDAS1模拟中等水深下波群在坡度为1∶500、1∶300、1∶150和1∶100斜坡上的破碎结果表明:随着斜坡变陡,波群的局部能量极大值μ增大,δmax在临界非破碎情况下微弱变小,在临界破碎情况下急剧增大,SB02提出的破碎阈值在中等水深下坡度小于1∶100的斜坡上仍然有效.

一种近岸区波浪破碎模型

从波浪破碎的能量关系入手，以紊流能量方程为基础，考虑破碎区内单个波在不同破碎阶段所提供的紊动能量强度的变化过程，提出了一种波浪破碎模式．通过将这一模型引入Boussinesq方程中，初步建立了一种近岸区波浪变形数学模型，并用波浪水槽实验资料对模型模拟波高和平均水位的情况进行了初步验证，得到了良好的结果．

斜坡上波浪破碎与越浪非静压数值模拟

为合理确定防浪建筑物的越浪量,基于含非静水压力梯度项的非线性浅水方程建立了近岸波浪越浪数值模型。通过采用域内造波、消波并结合波前静压假定的破碎模型,模拟了规则波和不规则波在斜坡上的波浪传播变形,并在此基础上进行了越浪量数值计算。数值计算结果与物理模型实验结果表明,非静压模型可合理地描述波浪破碎点位置、破碎后的波高、增减水以及斜坡上的堤后越浪量。数值模型具有较高的计算精度和计算效率,可为实际工程防浪建筑物越浪以及堤顶高程的设计提供一种新的数值研究手段。

基于非静压方程的波浪破碎模拟

在保证数值精度的基础上,为了提高非静压波浪模型在近岸波浪传播破碎模拟中的计算效率,基于非静压方程模型(SWASH)建立了近岸波浪破碎数值模型.数值模型通过将描述波浪破碎的非静压方程退化为非线性静压浅水方程并引入波浪破碎后能量衰减的紊动模型以减少模拟破碎时的垂向分层数.利用斜坡、潜堤以及沙坝上的波浪破碎水槽实验对模型进行了验证.结果表明,所建立的模型只需要在垂向划分较少的网格层数,即可合理地描述波浪破碎点位置和破碎后波高,进一步提高了非静压波浪模型在实际工程应用中的吸引力和竞争力.

VOF与Level Set耦合的界面计算方法及其对波浪破碎过程的模拟

破碎波浪传播过程的数值模拟是研究波浪破碎特性的重要手段。文章提出了一种用于计算界面的VOF和Level Set耦合算法,从而利用VOF方法质量守恒、Level Set方法能够更准确计算法向量的优点。体积分数采用一种较新的VOF几何方法——isoAdvector方法计算,并在此基础上建立了基于等值面的界面重构算法,Level Set函数通过几何迭代方法进行计算并用于计算法向量。通过溃坝问题的求解,验证了该方法的有效性,并将其应用于波浪在地形上传播破碎问题的求解,与实验结果进行对比,说明该方法可以很好地模拟复杂地形上的波浪传播破碎问题。

一种改进的几何学波浪破碎指标

基于Kjeldsen等提出的波形不对称性波浪破碎几何学指标,研究了波浪浅水变形作用下波形的不对称性,并通过实验采集的波面数据,运用最小二乘法拟合参数,综合2种不同的波浪变形情况,提出了含权重系数ω的不规则波浪的波形不对称性指标,并给出了浅水条件下权重系数ω的取值函数。在高分辨率波面数据采集技术的前提下,提出一种新型的、能够在近岸浅水条件下作为波浪破碎判据的波形不对称性波浪破碎指标,提高了其在实际工程中的应用价值。

近岸波浪破碎区污染物运动的数值模拟

波浪斜向近岸传播中由波浪破碎作用所引起的近岸波流体系是近岸非常重要的环境水动力因素,对该区域污染物的运动分布起着重要的影响作用。结合近岸波浪传播的抛物型缓坡方程、近岸波流场数学模型及污染物在近岸波流作用下运动的数学模型,对近岸斜向入射波浪破碎所产生的沿岸波流场中污染物的分布运动过程进行了数值模拟,并结合实验结果对数值模拟结果进行了分析验证。

斜坡平台波浪破碎数值模拟

波浪在斜坡地形上破碎,破波后稳定波高多采用物理模型试验方法进行研究,利用近岸波浪传播变形的抛物型缓坡方程和波能流平衡方程,导出了适用于斜坡上波浪破碎的数值模拟方法。首先根据波能流平衡方程和缓坡方程基本型式分析波浪在破波带内的波能变化和衰减率,推导了波浪传播模型中波能衰减因子和破波能量流衰减因子之间的关系;其次,利用陡坡地形上的高阶抛物型缓坡方程建立了波浪传播和波浪破碎数学模型;最后,根据物理模型试验实测数据对数值模拟的效果进行验证。数值计算与试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟斜坡地形的波浪传播波高变化。

深水波浪破碎特征影响因素的实验研究

为了分析不同参数对深水波浪破碎过程中的波面特征、波谱特征及特征波参数变化的影响,在波浪水槽中,采用能量聚焦的方式生成了深水破碎波浪,沿程采集22个不同位置的浪高数据进行分析。相同的波浪破碎强度时,中心频和频宽对波浪的稳定性影响很小,而谱型对波面最大陡度的影响比较明显,且破碎前更加显著。中心频越小,频宽越窄,谱型为PM谱时,波谱密度峰值越大,且谱包络总能量也越大。PM谱型下波浪破碎导致的波特征参数变化率最小,等振幅谱(CWA)型下次之,等波陡谱(CWS)型下的影响最为显著。

波浪破碎下油滴粒径分布理论模型研究

海上溢油在波浪破碎的情况下经常会形成油滴,本文讨论了油滴形成的可能机制,根据量纲分析瑞利法建立了油滴卷入率与能量耗散率、卷入深度等破碎统计物理量的关系。基于量纲分析Π定理并根据毛细数、无量纲卷入时间与粘度比的实验关系,导出了油径谱的理论模型。初步结果表明,理论谱斜率-2.29与观测谱斜率-2.3符合良好,剪切率、表面张力、油滴半径、油和水的黏度等因素是影响油滴总数的主要原因。

岛礁陡坡地形上波浪破碎试验研究

通过波浪水槽系列模型试验对岛礁地形上的波浪破碎位置进行试验研究。试验中将岛礁地形概化为向海陡坡与水平平台相连接的模型,研究3种陡坡(1∶1. 5、1∶3和1∶5)、3种相对水深(0. 1、0. 17和0. 24)下的波浪破碎位置。结果表明,波浪相对破碎位置与Irribarren数、礁坪相对水深以及前坡坡度有关,且随Irribarren数和相对水深的增大而向岸侧移动,随坡度的变陡而向海侧移动。同时,也给出了波浪破碎位置计算方法。