应用MIKE 21 BW模型分析航道对波浪传播的影响

波浪在传播过程中遇到航道会发生折射、绕射以及反射现象。MIKE21的BW模块可以很好地计算和分析港口、码头等小面积波浪场中的多方向不规则波的相互作用,浅水变形,折射,绕射和反射等各种波浪现象。本文采用该模块建立在不同航道条件下的波浪传播数学模型,并利用数模结果系统地分析了航道水深、航道宽度、航道边坡坡度以及波浪入射角度对波浪传播与变形的影响规律。成果对试验研究及工程实践有指导意义。     

波浪折射、绕射与反射联合运算简介

港内波浪常受防波堤、码头和海岸边界以及航道、浅滩水深地形的影响而引起绕射、反射与折射。通过物理模型试验研究港内波浪往往既花钱又费时。自60年代开始,法国Biesel最早提出采用积分方程法计算港内波浪的数学模型。70年代,日本伊藤、谷本提出了数值波动解析法,即差分法计算港内波浪的数学模型;荷兰Berkhoff提出了折射、绕射联合运算的有限元数学模型;美国Houston提出了混合元数学模型;苏联提出了能量平衡法数学模型;丹麦Abbott提出了Boussinesq     

吴淞口波浪场数值模拟

针对吴淞口水深变幅较大，岸线曲折多变，又存在导堤和航道等水利设施的特点，本文采用能够综合波浪折射、绕射、反射、破碎、非线性色散等因素的CGWAVE缓坡方程模型，模拟了吴淞口二维单频波波浪场并取得了较为合理的计算结果。     

三门湾下洋涂围垦工程堤前波浪要素分析

分析了三门湾下洋涂海区的海域特征,采用波浪折射和绕射数值模拟,表明下洋涂的西南围区受外海混合浪的影响较大。为此,采用风浪生成模型摸拟了局部海域的风浪,结果与实测结果较为一致。从而建议下洋涂围区的设计波要素取值外海浪和局部风浪共同作用段,采用H=!H12 H22计算堤前合成浪的波高。     

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。     

椭圆余弦波对透空直立防波堤波浪力解析计算

根据椭圆余弦波理论与水波绕射理论,应用特征函数展开法,推导了浅水区水波对透空防波堤的波浪作用,并取得了满足椭圆余弦波一阶分量边值问题提法的反射和透射波势的数学解。由此得出作用于直立透空防波堤的水平波浪力和力矩算式,并与浅水条件下的Airy波理论加以比较,说明浅水条件下椭圆余弦波理论更能反映非线性因素变化对波浪力及力矩的影响。     

浅水波与圆弧型贯底式防波堤的相互作用

该文基于椭圆余弦波绕射理论,应用特征函数展开法,推导了浅水波对圆弧型贯底式多孔介质防波堤绕射的波势解,并据此解析计算了作用于防波堤的水平波浪载荷与浅水波波面分布。计算结果表明:浅水波入射角与非线性影响参数、海况条件以及防波堤几何条件等因素的相对变化对波浪作用均存在一定的影响,结构透空可以明显减弱防波堤所受波浪作用。与微幅波理论对比可知:在一定浅水条件下采用椭圆余弦波一阶分量模型所计算的最大无量纲波浪力、力矩和波面分布值均明显高于微幅波理论的对应估值,反映了水波非线性因素的影响效应。     

台州湾近海海域波浪要素特征分析

波浪要素的观测及分析对港口码头设计、航道建设、围垦工程等都尤为重要。为研究台州东部新区临时航道疏浚工程对周边涉水工程的影响,采用SZF型波浪浮标,在工程海域进行为期一年的波浪观测,并对实测的波浪要素进行统计分析。结果表明:台州湾全年以东北向波浪居多,东向浪最大,可高达5 m。波高主要集中在0.5 m~1.0 m范围,波周期集中在3.0 s~4.0 s范围。春季浪向分散,夏季浪向集中在S向,秋冬季浪向相似,N为主波向。受台风影响,夏秋季有大浪出现。     

椭圆余弦波对V形防波堤绕射波浪力的解析计算

应用椭圆余弦波理论,给出了V形薄壁防波堤的浅水波绕射理论解,对现有Airy微幅波理论进行了有效拓展。通过对V形防波堤的浅水波浪力进行试算,揭示了椭圆余弦波对防波堤的作用规律。计算结果表明:椭圆余弦波理论计算的V形防波堤的最大无量纲波浪力明显大于相同浅水条件下Airy微幅波理论的对应结果,该方法有效拓展了无限长直立薄壁堤的反射波理论。此外,浅水波入射角、V形堤张角和防波堤臂长与水深比等参数的变化均将对V形堤的波浪作用产生相关影响,而V形堤的实际绕射波浪力幅值将随浅水波特征参数值的增大而增大。     

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。     

港池中波浪折射、绕射问题

本文从工程应用角度研究了港池中波浪的折射、绕射问题。考虑到粘性效应和池壁对波浪的不完全反射,我们首先推广了Berkhoff方程,然后提出了杂交有限元的数值方法。数值结果表明:加入摩擦效应与池壁的不完全反射作用的数值模拟与实际情况更加相近。控制方程能自动适应深浅水情况。各种坝堤对波浪的吸收作用可以通过反射系数反映出来。边界全吸收情况相当于对应固壁边界消失,因此我们可以用同一网格数据方便地模拟不同池壁(如防波堤)的各种设计方案。计算结果也表明,适当选择粘性系数可以得到与实验值较为一致的数值结果。     

V形贯底式防波堤上波浪作用力的解析研究

用解析方法计算V形贯底式防波堤在波浪绕射作用下周围流域任意点的速度势,研究波浪作用在V形贯底式防波堤上的波浪力。假定防波堤刚性、薄壁、不透浪、水深恒定。假想的圆柱面将整个流场划分为三个区域,分别在每个区域内将速度势用特征函数展开,然后在公共边界上按照速度连续,速度势连续的原则进行匹配,求得流域中任意一点的速度势和作用在V形贯底式防波堤上的总波力和总波力矩。数值结果给出了作用在防波堤上的波浪力随防波堤张角、入射波波长、入射角变化的曲线。结果表明:作用在V形贯底式防波堤上的波浪力与水深、防波堤的张角、入射波的波长等因素有关。     

波浪变态模型试验相似关系探讨

对于波浪折射、绕射和反射的影响都较显著的情形,考虑到按传统的波浪变态模型相似关系将模型中的试验数据换算到原型后的偏差较大,论文尝试采用将正态模型时间比尺应用到变态模型中并反推出变态模型波长比尺的方法提出了一种不同的波浪运动相似关系即λL=λl.λthkh。通过工程实例计算表明,该相似关系条件下的变态模型计算结果与原型数值计算结果的偏差要明显小于传统的波浪折射和绕射相似的情况。     

波浪对圆柱外接圆弧型防波堤绕射的解析计算

在微幅波绕射理论的基础上,使用特征函数展开法,推导了圆柱外接圆弧型防波堤复合结构的水波绕射的解析解,并据此计算了该结构所受到的波浪载荷以及绕射波面分布。计算结果表明:与单一圆柱相比,外接圆弧型防波堤的存在可明显降低作用于圆柱的波浪载荷和圆柱表面的波浪爬高;采用外接堤表面密实或透空而内圆柱表面透空的结构形式可以取得圆柱防浪的较佳效果;结构透空系数、波浪入射角度、外接堤张角、外堤半径与水深比、水深与波长比等因素的变化对绕射波浪作用均存在一定影响。     

柔性浮式防波堤消浪特性研究

针对圆柱形柔性浮式防波堤的消浪效果展开断面试验研究,分析其在规则波和不规则波作用下的消浪特性。通过大量水槽试验给出了圆柱形柔性浮式防波堤透射系数、反射系数、衰减系数与锚固方式、试验水深、相对宽度的变化关系。研究结果表明:该结构形式的浮式防波堤对短周期波浪消浪效果明显,而对长周期波浪消浪效果不佳;锚固方式和水深对消浪效果的影响较小;相对宽度是影响消浪效果的主要因素。研究成果可为由该结构连接成的"V"形浮式防波堤的锚固方式和摆放角度的设计提供参考。     

大型海洋结构物的非线性绕射效应

本文在空间上应用面源法,在时间域上应用步进法,数值处理了三维物体与非线性波浪的相互干扰,研究了结构物的非线性绕射效应。首先,作为比较,求解了正弦波列和孤立波绕射垂直桩柱的情形。接着,进一步求解了大振幅波浪绕射固定在自由面上的大型浮动码头的工程实例。结果表明,非线性波浪绕射力与线性结果,有一定的差别。有时,尽管从总体效应来看,这种差别不十分明显,但从上浪、出水和波的爬高以及局部应力等局部效应来看,这种差别可能很明显。     

用误差传播法计算波浪折射和绕射

在改进文献[1]的计算模式的基础上,应用误差传播法考虑边界存在反射情况下波浪的折射和绕射联合计算。已有的计算结果表明,该法较好地抑制了文献[1]中波浪缓坡方程解的数值波动现象,与缓坡方程的其他数值计算法相比,该法考虑了反射的影响,还能节省计算机内存和机时。     

重力式沉箱防浪墙型式对顶部越浪量的影响

随着我国沿海港口建设的不断发展,防波堤的越浪量及其产生的堤后次生波高成为影响港内泊稳条件的重要因素。本文针对福建省某一级渔港防波堤工程,采用1:36正态物理模型,进行了波浪断面物理模型试验。试验模拟了各种潮位、不规则波条件下重力式沉箱防波堤与波浪的相互作用,测量了不同重力式沉箱防浪墙型式在各级水位及相应100年一遇和50年一遇波浪作用下的堤顶越浪量和堤后次生波高,对原设计方案进行了优化,供今后的工程设计借鉴。     

室内模型试验中波浪绕射的多波向合成

用频谱和单一方向的不规则波来分析海浪或在试验室内进行模拟,是目前的一种倾向。实践证明,仅用频谱已不能充分描述海浪的特性,同样,用单一方向的不规则波进行港口掩护试验,已不能确切反映港口的实际波况。波浪绕射很大程度上取决于入射波的方向。而且用规则波的绕射结果进行工程设计,将是偏于不利的。因此,在波浪绕射模型试验中需应用方向谱。本文通过单一方向不规则波乃至规则波,进行波浪绕射的多波向合成,而达到方向谱波的实际效果。这对合理设计港口工程,有着现实意义。     

新型浮式防波堤消浪效果试验研究

通过一系列物理模型试验,研究一种新型(凹菱形)浮式防波堤的透浪系数,并与现有的浮箱式、废旧轮胎式、浮筏式等浮式防波堤进行对比。这种新型浮式防波堤的一个显著特点是在底部增加了阻尼,增加了波浪的能量消耗,从而减小了防波堤的透浪系数改善了其消浪效果。分析影响浮式防波堤透浪系数的主要因素为防波堤的相对宽度和相对水深。通过波浪水槽内的系列试验,研究两者对新型浮式防波堤透浪系数的影响,并给出临界透浪系数(C t=0.5)与两者的关系。在实际工程的设计和应用阶段,各种参量是相互影响的,讨论了波浪透射系数与各参数之间的关系。该浮式防波堤的消浪效果良好,为浮式防波堤的推广应用提供参考。