改进的非线性波传播数值模型的验证和应用

基于吸收入射边界上反射波的方法,并通过将统一边界条件表达式推广到适应不规则波的情况,改进了非线性波传播的数值模型.将利用模型的线性版本(略去非线性项)所计算得到的台阶地形上波浪的反射和透射系数与相应的解析解进行了定量比较.在斜坡地形上数值模拟了不规则波的传播,并将数值结果和物理模型实验值进行了比较.在下游边界分别为开边界和全反射边界的等水深的水槽内数值模拟了不规则波的传播变形,讨论了非线性作用的影响.在侧边界和下游边界均为全反射的固壁边界、二维的等水深水域内,数值模拟了波浪斜向入射时所产生的波浪变形.计算结果表明,对上述各种算例,改进后的非线性波传播数值模型均能进行有效地数值模拟.     

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。     

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.     

直立岛式结构物周围波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,基于时间关联型缓坡方程和相应的边界条件,建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型.该模型不仅适用于变水深问题,而且适用于模拟线性波浪的时间和空间演化过程.对直立岛式防波堤及直立方柱周围波浪传播变形的数值模拟表明,所建立的模型能够有效地模拟计算域内存在直立岛式结构物的波浪绕射和反射问题.     

计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,提出了岛体边界条件,利用缓坡方程建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型。模型适用于变水深水域问题,克服了解析解只能适用于等水深水域的不足。直立圆柱和无穷小厚度岛式防波堤周围波浪传播的数值算例表明,数值解与解析解吻合良好,说明所建立的数值模拟模型能有效地模拟复连通区域内的波浪传播。矩形固定式防波堤周围波浪场的数值模拟说明该模型对工程实际有较强的适应性。     

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。     

高阶Boussinesq水波方程数值模型及其与实验结果的对比

本文建立了基于预报-校正差分格式的高阶Boussinesq方程数值模型，进行了有沙坝地形上非线性波浪传播的物理模型实验，检验了数值模型和高阶Boussinesq方程的精度。研究了非线性波浪在有沙坝地形上传播的特性，分析沙坝坡度和水深的影响。     

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。     

珊瑚礁上防波堤波浪爬高的数值模拟与特征分析

波浪在珊瑚礁礁坪破碎、传播后在防波堤产生爬高,波浪爬高是决定防波堤高程、人工岛高程的重要因素。基于FLOW-3D软件,建立了珊瑚礁上防波堤波浪爬高的数值模型。通过与物理模型对比,验证了珊瑚礁上波浪传播与破碎、非破碎波在防波堤爬高数值模拟的合理性。在此基础上模拟了波浪在珊瑚礁地形上破碎与传播、防波堤的爬高,表明:随着礁坪上防波堤离礁前缘距离的增大,波浪爬高逐渐减小,在距礁前缘约一个深水波长处的防波堤爬高已显著减小。     

强不规则地形上浅水二维流动的数值计算研究

浅水流动数值模拟技术取得了显著进步,已能够有效地捕捉激波,但是应用于强不规则地形时计算困难,其原因在于:陡峭坡面上水流重力作用对数值稳定性有重要影响.采用简单的算子分裂法,即使是时间步长满足CFL稳定性准则,也可能致使计算不稳定,或者要求远比CFL稳定性准则更加苛刻的时间步长,从而严重影响计算效率.本文建立对强不规则地形和一般地形条件均能保持高效率的浅水二维数学模型:基本控制方程采用二维浅水方程;在空间上采用能捕捉激波的WAF TVD二阶精度格式;在时间上采用三阶TVD龙格库塔法,并采用自适应步长满足数值稳定性要求.将该模型应用于冰湖溃决洪水的模拟,试验结果表明:该文模型从本质上解除了强不规则地形对时间步长的约束,与现有数学模型相比,计算效率达到数量级上的提高,为强不规则地形上浅水二维流动数值模型的广泛应用(如高原与山丘区溃坝洪水数值预报等)提供了新的技术基础.     

Modeling of random wave transformation with strong wave-induced coastal currents

The propagation and transformation of multi-directional and uni-directional random waves over a coast with complicated bathymetric and geometric features are studied experimentally and numerically. Laboratory investigation indicates that wave energy convergence and divergence cause strong coastal currents to develop and inversely modify the wave fields. A coastal spectral wave model, based on the wave action balance equation with diffraction effect （WABED）, is used to simulate the transformation of random waves over the complicated bathymetry. The diffraction effect in the wave model is derived from a parabolic approximation of wave theory, and the mean energy dissipation rate per unit horizontal area due to wave breaking is parameterized by the bore-based formulation with a breaker index of 0.73. The numerically simulated wave field without considering coastal currents is different from that of experiments, whereas model results considering currents clearly reproduce the intensification of wave height in front of concave shorelines.     

潜堤上波浪传播过程数值研究

以RANS方程结合Level-Set方法为研究基础,采用五阶WENO有限差分格式进行空间离散、三阶TVD Runge-Kutta格式进行时间推进、Level-Set方法追踪波浪与空气间自由面以及解析松弛法来实现数值水槽中的造波消波,建立了一种求解潜堤上波浪传播问题的数值计算模型。选取经典的潜堤上波浪传播物理试验模型对数值模型进行了验证,水位计算结果与试验值吻合较好。进一步研究了波高、潜堤顶部淹没深度以及潜堤坡度等参数对潜堤上波浪传播过程的影响。结果表明:波高越高、淹没深度越浅、潜堤向波坡度越小,波浪受浅水作用越明显;潜堤背波坡度越小,波浪受反浅水作用稍大,但并不明显。     

Effects of the wave directionality on wave transformation

A numerical model is proposed based on the time domain solution of the Boussinesq equations using the finite element method in this paper. The typical wave diffraction through a breakwater gap is simulated to validate the numerical model. Good agreements are obtained between the numerical and experimental results. Further, the effects of the wave directionality on the wave diffraction through a breakwater gap and the wave transformation on a planar bathymetry are numerically investigated. The results show that the wave directional spreading has a significant effect on the wave diffraction and refraction. However, when the directional spreading parameter s is larger than around 40, the effects of the wave directional spreading on the wave transformation can be neglected in engineering applications.     

二维坡面雨洪水动力模型研究

由降雨产生的坡面洪水运动过程复杂,其可靠模拟仍有待深入。该文建立了基于浅水方程的二维坡面雨洪动力过程模拟的动力波模型,选用单坡、三阶坡面和复杂起伏多变坡面的雨洪运动为数值算例,进行了数值检验并与忽略惯性项的扩散波模型进行了对比分析。结果表明:动力波模型可以较好地模拟洪水过程,在峰现时间,洪峰水位的捕捉和退水过程等方面都表现出优良的特性;而且动力波模型在复杂坡面雨洪过程计算的适应性方面表现更佳。而扩散波模型在计算精度和稳定性方面都相对要差。虽然扩散波模型在单坡面算例中的计算精度也较高,但因受忽略惯性项的影响,退水过程有明显偏离。     

Mathematical model of wave transformation over radial sand ridge field on continental shelf of South Yellow Sea

According to a deformed mild-slope equation derived by Guang-wen Hong and an enhanced numerical method,a wave refraction-diffraction nonlinear mathematical model that takes tidal level change and the high-order bathymetry factor into account has been developed.The deformed mild-slope equation is used to eliminate the restriction of wave length on calculation steps.Using the hard disk to record data during the calculation process,the enhanced numerical method can save computer memory space to a certain extent,so that a large-scale sea area can be calculated with high-resolution grids.This model was applied to wave field integral calculation over a radial sand ridge field in the South Yellow Sea.The results demonstrate some features of the wave field:(1)the wave-height contour lines are arc-shaped near the shore;(2)waves break many times when they propagate toward the shore;(3)wave field characteristics on the northern and southern sides of Huangshayang are different;and(4)the characteristics of wave distribution match the terrain features.The application of this model in the region of the radial sand ridge field suggests that it is a feasible way to analyze wave refraction-diffraction effects under natural sea conditions.     

Field Application of the Multilinear Muskingum Discharge Routing Method

To implicitly model the nonlinear dynamics of flood wave propagation in rivers with floodplains, a multilinear discharge-hydrograph routing method based on time distribution scheme is proposed. The framework of this method is based on the variable parameter Muskingum-type routing method, which is used as the linear sub-model. The applicability limit and suitability of this flood routing method is verified using numerical experiments and field data, respectively.     

水电站非正常运行下库区涌浪数值模拟

水电站非正常运行情况下，引水系统流量突变往往会引起库区及下游河道涌浪传播，对于有航运要求的水利枢纽，这种涌浪往往会影响引航道附近的水流流场，恶化通航条件。本文建立了库区涌浪计算的平面二维水流数学模型，并应用于凌津滩水电站和琅琊山抽水蓄能电站中，表明该模型具有较强的计算模拟能力。