双孤立波直墙爬高的实验研究

海啸波在近海传播过程中有可能会演化成若干个孤立波组成的波列.为了研究孤立波波列对海岸结构物的作用机理,本文在波浪水槽中进行了双孤立波的直墙爬高实验.通过控制推板式造波机的运动,有效地实现了不同波峰间距双孤立波的造波方法.在复演并验证单孤立波直墙爬高的基础上,完成了不同相对波高、相对波峰间距的双孤立波爬高系列实验,给出了双孤立波平底传播及直墙爬高过程的波面时间序列及爬高过程水线运动时间序列.实验结果表明:对两个等波高的双孤立波而言,当相对波峰间距降到某临界值时,跟随在后孤立波的爬高放大系数将小于先导孤立波的爬高放大系数;当先导孤立波的波高大于跟随孤立波的波高,先导孤立波将更加显著地抑制对跟随孤立波的爬高过程,使得后者的最高爬放大系数显著减小;若在直墙爬高前两个波已明显重叠,即呈双峰瞬态波形,爬高放大系数不会大于具有相同波高的单孤立波的爬高放大系数.     

三孤立波的斜坡爬高特征

该文采用推板式造波机和改进的Goring造波方法在波浪水槽中生成了由三个等波高孤立波组成的波列,首先在坡度为1/10的斜坡上进行了多个孤立波连续爬高的实验研究。实验测量了等波高双孤立波和三孤立波在等水深波浪水槽中传播和在斜坡上的爬高过程,给出了沿程多点浪高仪测量的波面时间序列和高速摄像记录的水线在斜坡上爬高与回落过程影像。分析了来波相对波高和无量纲波峰间距对每个孤立波爬高放大系数的影响。在基于RANS方程和VOF方法的数值波浪水槽中,模拟了三孤立波爬高过程,给出了最大爬高与破碎特征。实验和数值模拟结果表明,孤立波在斜坡上回落时会产生强劲的回流水流,该反向流动导致后随孤立波破碎,消耗波动能量,使得后随孤立波的爬高放大系数明显小于没有回落水流影响的首个孤立波的爬高放大系数。当孤立的波峰间较大时,若来波相对波高较小,后两个的孤立波爬高基本相同;若来波相对波高较大时,第三个孤立波的爬高大于第二个孤立波的爬高。     

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。     

陡墙上孤立波爬高的LBM模拟

波浪爬高是海岸工程中常见的水力学问题之一,其数值模拟方法通常是离散Navier-Stokes方程或Bouss inesq方程。与之不同,近几年发展起来的Lattice Boltzmann方法(LBM)是采用具有特定演化规则的粒子系统模拟流体运动。此方法具有计算效率高及内在并行等优点。本文将LBM应用于陡墙上孤立波的爬高模拟,建立了不可压缩流体的LB模型,并把VOF的概念引入到LBM中模拟自由表面的运动。分析和实践表明,本文方法适用于自由表面无破碎的不可压缩流体的数值模拟;对于表面破碎的情况,应将LBM与紊流模型结合,并且液面运动的模拟须采用气液两相流界面的计算方法。     

基于数值模拟的非线性波浪在直立墙上爬高的研究

在海洋和近海工程中,波与波相互作用或波与结构相互作用而产生的极端波浪爬高,严重威胁着海洋工程建筑物的安全。该文基于一个非静压数值波浪模型建立了三维波浪数值水池,对非线性波浪作用下直立结构物上的波浪爬高进行了研究。结果表明,不同水深、不同波陡的规则波与直立板相互作用时,波浪爬高在直立板上的分布差异较大;波浪振幅放大率,即波浪爬高与入射振幅的比值,随着波陡以及水深的增大而增大,并且最大放大率从直立板中心处逐渐移向板墙交界处;波浪振幅放大率最大达到4.0,远大于线性理论预测值2.0。     

孤立波与潜水台阶相互作用的数值研究

本文用完整二维Navier-Stokes方程和VOF方法研究孤立波与潜水台阶障碍物相互作用问题.本文的计算结果与Seabra-Santos,Penouard and Temperville(1987)的实验结果有较好的一致性,与Germain(1984)基于势流浅水理论的结果较为接近,同时能更好模拟出前传演化波的衰减.只要给出初始孤立波波幅,静水深和潜水台阶障碍物的高度,利用本文方法就能模拟出演化波、分裂波和反射波的波形,并给出每一时刻的自由面形状、流场、涡量和压力的分布.     

用LEVEL SET方法计算溃坝波的传播过程

溃坝波的数值模拟在于正确地计算坝体溃决后上下游水面的迅速变化过程。本文研究了近年发展起来的求解两种流体界面的Level Set方法及其在具有自由表面的水动力学问题中的应用。对不同底坡上的二维溃坝波进行了计算，取得了和实验资料符合良好的结果。     

孤立波浅化过程的SPH数值模拟

本文应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了二维数值波浪水槽,研究了孤立波沿斜坡的传播、变形和破碎过程。通过数值计算分析了波浪沿斜坡传播过程中自由表面的变化特征,给出了斜坡上不同位置处波面变化的历时曲线,并应用文献记录的试验结果对数模结果进行了验证。得到了波高的沿程变化趋势、破波点的位置和破碎波高以及不同破碎形态下波浪自由表面的变化特征,显示了SPH方法在处理较复杂自由表面流动问题方面的优越性。     

溃坝洪水在下游水库的演进及坝前爬高

基于物理模型试验,探讨上游坝体溃决时间T_1、上游坝前水深H_1、上游水库面积S_1、下游坝前水深H_2及下游水库面积S_2等因素对溃坝洪水在下游水库演进、初始波高及下游坝前初始波浪爬高的影响。结果表明:溃坝洪水在下游水库的演进过程可分为洪水波、洪水涌浪、反射叠加、振荡衰减4个阶段。下游坝前初始波浪爬高随T_1、H_2、S_2的增大而减小,随H_1的增加而增大,与上游水库面积S_1无明显相关关系。拟合出下游坝前初始波浪爬高值经验公式,并得出各因素对波浪初始爬高影响程度从大到小的次序为:T_1、S_2、H_1、H_2。     

浮体在浅水中运动产生的孤立波

本文对在浅水中以跨临界速度运动的浮体产生的兴波问题作了数值计算，用作者提出的求解浮体波动问题的新方法，将浮体与流体接触的物面作为自由表面处理，使Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程用于此问题的全域直接数值求解，数值结果使我们得到了新颖的浮体运动产生的孤立波解。     

An experimental study on runup of two solitary waves on plane beaches

Experiments of the runup of two solitary waves on a plane beach are carried out in a wave flume. The two solitary waves with the same amplitude and the crest separating distances are generated by using an improved wave generation method. It is found that, with regard to the two solitary waves with same wave amplitude, the runup amplification of the second wave is less than that of the first wave if the relative crest separating distance is reduced to a certain threshold value. The rundown of the first solitary wave depresses the maximum runup of the second wave. If the leading solitary wave is of relatively smaller amplitude for the two solitary waves, the runup amplification is affected by the overtaking process of two solitary waves. It turns out that the runup amplification of the second wave is larger than that of the first wave if the similarity factor is approximately larger than 15, which means the larger wave overtakes the smaller one before the waves runup on a beach.     

孤立波与不同淹没深度水平圆柱体的相互作用

用基于时变雷诺方程和方程为基础的数学模型模拟了孤立波与近海不同淹没深度水平圆柱的相互作用过程,其中自由表面的跟踪采用了分段线性近似的VOF方法.结果表明：当圆柱靠近水底时,尤其是在圆柱与底部海床有较小缝隙时,圆柱底部附近的涡旋较强;而圆柱靠近水面时,水面附近的涡旋较强,圆柱越靠近水面,圆柱背浪面一侧的水面附近产生的涡对越多.     

Numerical study of edge waves using extended Boussinesq equations

An edge wave numerical model was developed based on extended Boussinesq equations with the internal wave-generation method. The form of edge waves near a seawall was chosen as the input signal in order to avoid treatment of the moving shoreline on a sloping beach. As there was an energy transfer between different edge wave modes, not only the target mode but also other modes appeared in the simulations. Due to the nonlinear effect, the simulation results for mode-0 edge waves were slightly modulated by mode-1 and mode-2 waves. As the magnitudes of these higher-mode waves are not significantly related to those of the target mode, the internal wave-generation method in Boussinesq equations can produce high-quality edge waves. The numerical model was used to investigate the nonlinear properties of standing edge waves, and the numerical results were in strong agreement with theory.     

基于RANS方程的海堤越浪数值模拟

基于FLUENT商业化软件,以RANS方程为控制方程,基于有限体积法,采用k-epsilon湍流模型,运用一种“解析松弛”方法实现了适用于VOF方法的数值源造波技术。在该数值波浪水槽中对规则波在不可渗透简单斜坡堤上越浪过程进行了数值模拟,将越浪量计算值同物理实验结果及基于非线性浅水方程的数值结果进行了比对。结果表明：该数值模型能够较好地复演海堤越浪过程,同基于非线性浅水方程的数值结果相比,能更有效地模拟含有强烈卷吸、射流和破碎的海堤越浪问题。     

孤立波作用下边界层的模拟与分析

孤立波作用下的边界层内的剪切力以及涡量变化对海啸传播和海底地形塑造十分重要。本文基于多区域谱方法,利用直接模拟(DNS)数值模型,对在具有矩形断面的U形水洞内的孤立波下的边界层流动进行了模拟。将数值模拟结果与解析解以及试验结果进行了对比,发现数值结果与后两者吻合得较好。模拟结果显示,在低雷诺数下,扰动不会改变流态,而随着雷诺数的增大,流态会变得十分复杂。中等雷诺数情况下,边界层内会产生正向的涡,并进行稳定的传播。在较高雷诺数情况下,流动进入层流向紊流发展的过渡期,此时边界层内会产生正涡以及负涡,并会在水深方向进行不规则运动。     

有限深两层流体中内孤立波传播演化理论模型研究

该文对Choi和Camassa给出的一个内孤立波方程模型中的系数进行了修正,并给出了基于方程的内孤立波定态解表达式,将其称为内孤立波me Kd V理论解,进而采用有限体积/有限差分混合方法数值求解内孤立波的三类(Kd V、e Kd V和me Kd V型)非线性传播演化方程,分别以内孤立波的Kd V、e Kd V、MCC和me Kd V定态解作为初始输入波,研究其非线性传播演化特性,并获得其适用性条件。结果表明,三类非线性传播演化方程,只适合于相应内孤立波定态解初始波的定态传播,而对其他定态解初始波将发生波形变形、分裂等非线性现象。在此基础上,定量地给出了三类非线性传播演化方程的适用性条件,为采用何种非线性方程来研究实际海洋中内孤立波的传播演化问题提供了理论依据。     

三维涡环与自由表面的粘性相互作用

本文用ＶＯＦ方法数值模拟了三维涡环与自由表面的粘性相互作用。重点考察了Ｆｒｏｕｄｅ数、Ｗｅｂｅｒ数、初始扰动及密度分层对涡环与自由表面相互作用的影响。结果表明：由于粘性的存在，使得涡环与自由表面的相互作用与无粘情形相比有许多不同。粘性的作用主要体现在涡量的耗散和新的二次涡环的产生；对自由表面变形而言，Ｆｒｏｕｄｅ数是主要的控制参数，Ｆｒｏｕｄｅ数越大，自由表面变形越显著，而Ｗｅｂｅｒ数的影响作用则