一种扩展型缓坡方程的时域计算模式

该文通过引入有效波面函数,把考虑海底摩擦、波浪破碎、陡变和快变地形等因素影响的扩展型缓坡方程,化为最简形式的时间双曲型缓坡方程.基于此方程和非线性振幅频散关系,建立了波浪传播的数值模拟模型,并对数值格式进行了误差分析,结果表明由于耗散项的引入,数值格式的稳定性较文献[1]得到了提高.数值解与物理模型实验值和解析解吻合良好,表明模型可以对近岸波浪传播过程中折射、绕射、反射、浅水变形、海底摩擦、波浪破碎和弱非线性等因素的影响进行较好地预测.     

基于抛物型缓坡方程模拟近岸波流场

波浪向近岸传播的过程中由波浪破碎等效应所形成的近岸波流场是近岸缓坡区域重要的环境动力因素之一。本文基于近岸波浪传播的缓坡模型对近岸波浪场及近岸波浪斜向入射破碎后所产生的沿岸波流场进行了数值模拟。考虑到波浪向近岸传播中局部复杂区域波向不易确定，计算时直接从波浪辐射应力定义出发，采用抛物型缓坡方程所给出的辐射应力公式来计算波浪产生的辐射应力，在此基础上耦合近岸波流场数学模型对近岸波浪破碎形成的波流场进行了数值模拟研究，结果表明本文的数值模型是有效的。     

近岸波浪及沿岸流数值模拟研究

利用抛物型缓坡方程计算波浪场,并以波浪辐射应力为近岸动力因素,建立深度平均的二维近岸流的控制方程。运用该近岸流方程,对美国Santa Barbara Leadbetter海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的沿岸流进了数值模拟,其中抛物型缓坡模型采用Crank-Nicolson格式进行数值离散,近岸流方程采用ADI差分格式离散。与现场实测资料的对比表明,无论考虑或不考虑波浪非线性因子,模拟结果与实测结果均吻合良好。     

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.     

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。     

波浪传播数值模型波向角计算

波浪传播变形数值模型的抛物型近似在近海工程大范围水域的波浪推算中应用十分广泛，本文就抛物型缓坡方程（PMSE）数值计算中波浪方向的计算作了分析。首先从椭圆型缓坡方程（MSE）推导了波向角的计算方法；然后介绍大范围水域波浪折射绕射传播变形缓坡方程的抛物型近似法以及波向角的计算；最后，利用抛物型缓坡方程和椭圆型缓坡方程法分别对Berkhoff实验室地形条件下波浪场进行计算，比较两种方法计算得到的波向线图。比较结果显示抛物型缓坡方程法计算波向角结果与椭圆型缓坡方程法计算结果是一致的，抛物型近似法计算波向角是可行的。     

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。     

椭圆型缓坡方程的微机群集并行数值模拟

提出了椭圆型缓坡方程的一种并行数值模拟方法，并在微机群集并行系统上进行了数值实现。为了验证方法的精度和效率问题，对两种典型缓坡地形上的波浪传播变形进行了数值模拟。与对应的串型算法得到的结果比较表明，本文的并行数值方法不仅可以提高数值模拟效率，而且可以大大减少单机的存储容量，从而使该系统可以进行更大区域的波浪变形的数值模拟。     

应用非线性色散关系数值求解双曲型缓坡方程

在经典双曲型缓坡方程的基础上，通过引入非线性色散关系，使其能够有效地考虑波浪的非线性影响，数值格式的改进使方程的数值求解快速高效。将非线性色散关系和改进后的数值格式用于经典的椭圆形浅滩上的波浪变形计算，取得了比较满意的结果。     

扩展型Boussinesq水波方程的一种改进有限体积/有限差分混合算法

为高效数值求解扩展型Boussinesq水波方程,采用一种近似变换方法,将动量方程中的混合导数项变换为纯空间导数项,建立了一种基于原始变量的新的守恒形式方程。对守恒形式方程中的通量项采用基于二阶迎风TVD格式的有限体积方法进行求解,时间导数项采用具有TVD性质的三阶龙格-库塔多步积分方法进行时间积分,剩余项采用中心差分方法进行计算,发展了扩展型Boussinesq水波方程的一种简单高效的混合有限体积/有限差分求解方法。该方法具有数值格式构造过程简单、无需可调参数、数值稳定性强等优点。利用典型波浪传播算例对数值模型进行了验证,计算结果与文献实验数据吻合良好。     

WATER WAVE SIMULATION IN CURVILINEAR COORDINATES USING A TIME-DEPENDENT MILD SLOPE EQUATION

The purpose of this article is to model the detailed progress of wave propagation in curvilinear coordinates with an effective time-dependent mild slope equation. This was achieved in the following approach, firstly deriving the numerical model of the equation, i.e., Copeland's hyperbolic mild-slope equation, in orthogonal curvilinear coordinates based on principal of coordinate transformation, and then finding the numerical solution of the transformed model by use of the Alternative Directions Implicit (ADI) method with a space-staggered grid. To test the curvilinear model, two cases of a channel with varying cross section and a semi-circular channel were studied with corresponding analytical solutions. The model was further investigated through a numerical simulation in Ponce de Leon Inlet, USA. Good agreement is reached and therefore, the use of the present model is valid to calculate the progress of wave propagation in areas with curved shorelines, nearshore breakwaters and other complicated geometries.     

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。     

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。     

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.     

Numerical solutions for two nonlinear wave equations

The split-step pseudo-spectral method is a useful method for solving nonlinear wave equations. However, it is not widely used because of the limitation of the periodic boundary condition. In this paper, the method is modified at its second step by avoiding transforming the wave height function into a frequency domain function. Thus, the periodic boundary condition is not required, and the new method is easy to implement. In order to validate its performance, the proposed method was used to solve the nonlinear parabolic mild-slope equation and the spatial modified nonlinear Schr dinger (MNLS) equation, which were used to model the wave propagation under different bathymetric conditions. Good agreement between the numerical and experimental results shows that the present method is effective and efficient in solving nonlinear wave equations.     

COMPARISON BETWEEN BOUSSINESQ EQUATIONS AND MILD-SLOPE EQUATIONS MODEL

1. INTRODUCTIONWave transformation,one of the most i mpor-tant near-shore hydrodynamic processes , has closerelations to human activities as well as i mpact on o-ceanic environment , resources and engineeringstructures .So it is of greater i mportance to …     

THE SLOP FLUX METHOD FOR NUMERICAL BALANCE IN USING ROE＇S APPROXIMATE RIEMANN SOLVER

Imbalance arises when the Roe’s method is directly applied in the shallow water simulation.The reasons are different for the continuity equation and the momentum equations.Based on the Roe’s method,a partial surface method is proposed for a perfect balance for the continuity equation.In order to generate a mathematically hyperbolic formulation,the momentum equations are split,which causes incompatibility in the calculation of the momentum equations.In this article a numerical approach named the Slop Flux Method(SFM)is proposed to balance the source terms and the flux gradient based on the finite volume method.The method is first applied to shallow water equations.The model is verified by analytical results of classical test cases with good agreement.Finally the method is applied to a steady flow simulation over a practical complicated topography and the result shows good balance and conservation.     

非线性抛物型缓坡方程的数值模拟

参考Lo对MNLS方程中非线性项的处理方法,但不转换到频域求解,同时采用Li修正的非线性弥散关系,对非线性抛物型缓坡方程在复数域进行数值模拟,并分别在Berkhoff椭圆地形及淹没圆形浅滩地形验证了该模型,得到了较好的结果。此模型可以有效地模拟非线性波浪问题。此非线性项的处理方法使得数值计算过程中不需迭代求解,同时减少了边界周期性的限制,易于操作编程,提高了计算效率。     

台风浪对长江口深水航道骤淤的影响研究

概述风暴对长江口航槽短期地形变化的影响和研究现状，将缓坡方程、Boussinesq方程和动谱平衡方程进行分析比较，选择后者做为长江口台风浪数值预报模式。介绍球坐标下动谱平衡方程模型及方程右端源汇项的处理方法，以9912号台风对波浪数值模型进行验证。数值预报EES向20m/s风场下深水航道水域波浪要素：有效波高分布和波浪水质点底部轨迹运动速度分布。由泥沙起动底流速公式得到深水航道水域底沙起动底流速场，根据长江口波浪水质点底部轨迹运动速度的均方根值与泥沙的起动底流速之差的分布场进行骤淤机理分析。结果表明在EES向20m／s风场作用下横沙浅滩和九段沙浅滩的大部分水域底部泥沙将被掀扬至水体，部分泥沙在跨槽水流带动下会进入航道而造成严重淤积。最后提出研究长江口深水航道风暴骤淤问题的进一步工作。