基于高阶谱方法求解波浪在不规则地形上传播的完全非线性数值模型

该文基于高阶谱方法,通过引入造波边界和水底边界条件,建立了能够模拟波浪在不规则地形上传播的完全非线性数值计算模型。对典型的二维波浪bragg反射和波浪在潜堤上传播进行了数值模拟,数值计算结果表明该模型能够很好地模拟波浪的产生、传播及与不规则地形的作用,验证了所建立的数值计算模型模拟波浪在不规则地形上传播的有效性。     

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。     

台阶地形上波浪运动的数值研究

波浪在水深剧变地形上的传播，可以简化为波浪在台阶地形上的传播.利用二维数值波浪水槽可以很好地模拟这一过程，特别是对波浪在台阶上的非线性变形.数值计算结果与实验测量进行了比较，结果吻合良好.     

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。     

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。     

基于全非线性层析水波理论的波群时历模拟研究

为了研究波群作用下的船舶参数激励横摇特性,该文引入了高阶无旋层析水波理论（HLIGN）开展波群的数值模拟研究。结合C11集装箱船顶浪不规则波参数横摇模型试验的测试数据,选取目标波群样本,通过二阶非线性造波理论获得了波群造波水池试验结果。利用全非线性波浪模型对波群进行数值模拟,给出了波群模拟时的造波边界设置和计算参数设置方法,并通过与物理造波结果对比发现,HIGN波浪模型对波群模拟有较高的精度,可很好地模拟波群的非线性传播特性。     

曲线坐标系下波浪传播的数学模型及其比较与验证

引入自适应网格技术，建立了曲线坐标系下考虑能耗影响的缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型，通过在模型中引入能量耗散项以更好地处理全透射边界。基于原型缓坡方程，完善了等水深的轴对称双导堤水域内波浪传播的精确解表达式及其计算结果；提供了等水深的环形河道水域内较为详细的精确解。在极坐标系下就等水深的轴对称双导堤水域内波浪的传播，推导了缓坡方程的小角度抛物近似模型的解析解表达式。就上述两水域内波浪传播的数值模拟模型的数值解、抛物近似模型的解、精确解进行了详细比较，说明数值解与精确解相吻合、数值模拟模型比小角度和大角度抛物近似模型具有更高的精度。数值模拟模型能较好地模拟水深复杂变化的地形上波浪的传播，能有效反映波浪传播过程中的多种物理现象。     

数值波流水池构造方法研究

该文在FLUENT软件平台下构造了二维数值波流水池.基于不可压缩流体RANS方程建立数学模型,使用VOF方法追踪自由面位置;将水池入口取为波浪与水流相遇并产生相互作用的起始位置,给定入射静水波和水流叠加的边界条件;在水池下游设置消波区,采用动量源项消波方法对波浪进行衰减,消除波浪在水池出口边界处的反射,生成了波浪和水流共存的稳定流场.针对不同水流流速剖面和波浪条件进行了数值模拟,并通过实验数据考核数值水池模型的准确性.对Thomas的实验数据进行数值仿真,得到了不同流速的均匀逆流对波高和波长的影响;针对剪切流,模拟了Kemp等的实验数据,计算不同波幅的波浪在非均匀顺流和逆流中的变形.结果显示,数值结果与实验数据吻合良好,表明了该数值波流水池模型能够较为准确地模拟波浪和定常水流的相互作用.     

波浪形态及方向分布对港域波浪传播的影响

航道开挖会对波浪的传播产生显著影响,使港内波浪及泊稳条件发生变化。依托物理模型试验结果,验证了MIKE21中BW数值模型的合理性,证实二者结果吻合良好,随后利用该模型对比分析了在规则波、单向不规则波以及多向不规则波作用下,港域波浪扰动系数的分布规律及区别。结果表明：小角度入射波浪下,单向不规则波与规则波在航道迎浪面边坡发生的波能聚集现象明显强于多向不规则波;多向不规则波的方向分布对波浪在航道中的传播产生影响,波浪方向分布范围越窄,航道的折射效应及能量汇聚过程也越明显,航道边坡上的扰动系数也越大。因此在实际工程的航道设计中,应该考虑到不同形态波浪及多向波方向分布在航道传播过程中的差异,尤其在某些涌浪作用较强、波浪能量分布较为集中的港域,以单向不规则波甚至是规则波作为入射波浪将更加合理安全。     

造波板运动造波的实时模拟

基于势流理论和时域高阶边界元方法,建立了完全非线性数值波浪水槽模型,通过实时模拟造波板运动来产生波浪.采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶Runga-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,同时应用镜像格林函数消除了水槽两个侧面和底面上的积分,在水槽末端布置人工阻尼层消除反射波浪,通过加速势的方法准确计算速度势的时间导数.利用所建模型分别对规则波和不规则波进行了模拟研究,得到了稳定的波形,与试验结果、理论结果和已发表结果均吻合良好,同时计算了造波板做单一频率运动产生的非线性波浪力.     

不规则波抛物型缓底坡波动方程

使用Kubo近似，导出了不规则波抛物型缓底坡波动方程的折射绕射联合模型。对不规则波抛物型缓底坡波动方程进行数值模拟，并对结与实验进行比较。不规则波抛物型缓底坡波动方程能很好地描述波浪传播过程中的变化，由此，可以预测波浪在传播过程中受到地形及波浪间相互用作而发生的变化。     

二维水波数学模型的实验验证

为了验证基于缓坡方程的波浪折射和绕射综合问题的数学模型，在波浪水池中，对缓坡地形上的双突堤在规则波，单向不规则波和多向不规则波作用下的折射，绕射综合影响进行了实验研究，并将实验得到的结果和数值计算结果进行了比较。     

BOUSSINESQ MODELLING OF NEARSHORE WAVES UNDER BODY FITTED COORDINATE

A set of nonlinear Boussinesq equations with fully nonlinearity property is solved numerically in generalized coordinates,to develop a Boussinesq-type wave model in dealing with irregular computation boundaries in complex nearshore regions and to facilitate the grid refinements in simulations.The governing equations expressed in contravariant components of velocity vectors under curvilinear coordinates are derived and a high order finite difference scheme on a staggered grid is employed for the numerical implementation.The developed model is used to simulate nearshore wave propagations under curvilinear coordinates,the numerical results are compared against analytical or experimental data with a good agreement.     

波浪在水流作用下的变形

本文通过实验研究，分别观测了规则、波单向不规则波和多向不规则波在不同流速条件下的情况，同进利用静水中的实测波浪资料通过理论计算，分析了在水流中的波浪，并将计算值与实测值做了对比。比较表明，当波浪主方向与水流、法线方向的夹角不过大时，计算与实验吻合较好，表明所推荐的理论方法是可行的。     

A practical framework to assess the hydrodynamic impact of ship waves on river banks

The temporal alteration of the hydrodynamic regime in rivers due to navigation has significant effects on riverine ecosystems. Most of the key mechanisms and interactions between hydrodynamic and ecological variables have already been revealed; however, the quantitative evaluation of biotic and abiotic variables still stands a challenge. This paper aims to present a thorough, spatiotemporal framework, involving field and computational tools, for the assessment of wave hydrodynamics in the littoral zone of rivers, where its ecological relevance is the most significant. The temporal variation of significant wave heights is derived from high‐frequency pressure measurements, offering a well‐comparable statistical evaluation of individual wave events considering the duration of different wave intensities. Acoustic Doppler velocimetry (ADV) is used for the assessment of near‐bank velocities, from which the secondary wave‐related components have been filtered offering relevant validation data for numerical modelling. The small footprint of the ADVs is extended with up‐to‐date computational fluid dynamics modelling. Wave spectra derived from the pressure measurements are used as boundary conditions for phase‐resolved irregular wave modelling with the level set method based numerical model REEF3D. The properly validated model offers the assessment of the most relevant hydrodynamic variables (e.g., velocity or turbulent kinetic energy) in a spatially extended manner, from which the hydrodynamic footprint of the wave events can be interpreted in a statistical fashion. The implementation of the proposed framework is illustrated through a case study at a Hungarian section of the Danube River.     

随机波浪边界层的数值模拟与分析

该文基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和k-ω两方程紊流模型建立了随机波浪边界层数学模型,模拟了粗糙底床上方的随机波浪边界层流速、床面剪切应力和紊动能量分布,计算结果与实测数据吻合良好。探讨了随机波浪边界层水动力特性,发现随机波浪时间序列中各个子波的紊动能量近似随该子波均方根自由振荡速度平方的增大而线性增大,但各个子波的紊动能量还受到上一个子波紊动能量传递的影响,体现了随机波浪与规则波浪的区别。整个随机波浪时间序列的有效摩阻系数和单个子波的摩阻系数均与前人实验数据和经验公式较为一致。     

NUMERICAL SIMULATION OF PROPAGATION AND BREAKING PROCESSES OF A FOCUSED WAVES GROUP

A two-dimensional numerical wave flume is developed to study the focused waves group propagation and the consequent breaking processes. The numerical model is based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, with the standard k-ε turbulence model to simulate the turbulence effects. To track the complicated and broken free-surface, the Volume Of Fluid (VOF) method is employed. The numerical model combines the "Partial Cell Treatment (PCT)" method with the "Locally Relative Stationary (LRS)" concept to treat the moving wave paddle so that various waves can be generated directly in a fixed Cartesian grid system. The theoretical results of the linear and nonlinear waves are used to validate the numerical wave flume firstly, and then a plunging breaking wave created by a focused waves group is simulated. The numerical results are compared to the experimental data and other simulation results, with very good agreements. The turbulence intensity, the flow field and the energy dissipation in the breaking processes are analyzed based on the numerical results. It is shown that the present numerical model is efficient and accurate for studying the waves group generation, the waves packet propagation, and the wave breaking processes.