基于有限体积法的三维波生近岸流数值模型

波浪破碎产生近岸流是近岸浅水区域一个重要的水动力现象。该文利用辐射应力的概念,并考虑辐射应力沿水深的变化、波浪破碎引起的水滚以及波流共同作用下的水底剪应力,建立了基于有限体积法的三维波生近岸流数值模型。运用建立的数值模型模拟了两个实验室实验,并同实验的实测结果进行了对比。结果表明,建立的数值模型能够较好地模拟波浪破碎产生的近岸流。     

湍黏系数对浅滩海域三维风暴潮的影响

利用WRF大气模式和基于有限体积法的三维海洋数值模型FVCOM,建立了连云港及其附近浅滩海域的三维风暴潮流数学模型。运用k-ε和MY-2.5两种不同的湍流模型,对"韦帕"台风作用下的三维风暴潮流进行了数值模拟,并对计算得到的三维风暴潮流流场结果和垂向湍流黏性系数结果进行了对比分析。计算分析结果表明,两种不同湍流模型计算所得的风暴潮增水差别很小,可以忽略;但在风生流较强的时间段内,MY-2.5湍流模型计算所得的水平流速流向沿垂向分布并不一致,而k-ε湍流模型的计算结果较好,与实测分层潮流资料更为符合。研究结果表明,垂向湍流黏性系数沿水深的垂向分布对浅滩海域风暴潮流水平流速的垂向结构至关重要,建议选用k-ε湍流模型计算垂向湍流黏性系数和湍流扩散系数。     

应用多重尺度法推导浅水波方程和悬沙扩散方程

根据潮流、波浪及湍流运动尺度不同的特点，引入奇异摄动理论中的多重尺度法，应用导数展开法分离Navier-Stokes方程和质量传输方程，导出了波浪作用下的浅水环流方程、潮位和潮流作用下的浅水波方程及波流联合作用下的悬水扩散方程，用数学方法解释了潮流波浪的相互作用和影响。并与雷诺方程进行了比较。为研究海岸动力因素运动规律和诸动力因素与海岸相互作用奠定了理论基础。     

不恒定非均匀流场中随机波的折绕射联合数学模型

根据考虑流影响的缓坡方程，运用波动叠加原理，导出了一种适合大范围缓变地形情况下，不恒定非均匀流场中随机波的折绕射联合的数值模式。应用该模式进行了概化的半椭圆斜坡海底及渤海湾西部海域不恒定非均匀流场中随机波传播的折绕射联合的数值计算，获得了比较满意的结果。     

“达维”台风作用下连云港海域台风浪数值模拟

为准确模拟"达维"台风过境期间连云港海域波浪场分布,采用Jelesnianski风场模式模拟的海面10m风速作为波浪模式MIKE-SW的驱动风场,再现1210号"达维"台风登陆连云港海域波浪变化过程。模拟计算结果表明,Jelesnianski风场模式成功复演了"达维"台风过境期间风动力变化过程,1210号"达维"台风与1209号"苏拉"台风形成明显的双台风效应;"达维"台风风暴潮期间,连云港海洋站最大风暴增水1.78m,连云港海域风暴增水现象十分明显;利用三重网格嵌套技术,考虑实时风暴潮增水效应的台风浪模型能够较好地模拟连云港近海波浪成长过程,台风过境期间徐圩海洋站处H1/3波高最大值为3.86m,近岸海域波高等值线分布较为密集,分布趋势与水下地形等深线基本一致,破波带以内水域衰减速度明显加快,与连云港海域属于淤泥质海岸类型的性质相吻合。     

波浪能资源评估方法研究

以山东半岛为依托对深水简化的波浪能评估方法和Kim简化的评估方法进行对比研究。首先,运用波浪模型SWAN对山东半岛16 a的波候进行模拟,并与观测值进行比较,结果拟合良好;其次,运用这两种评估方法对山东半岛波浪资源能进行计算,并与SWAN模型计算的精确解进行比较;最后,选取两个断面和断面上的10个不同水深点进行研究。研究结果表明:两种简化方法计算结果均比精确解大,随着水深的增加,差距逐渐加大,但与精确解的相关性也逐渐变大,整体而言,深水简化方法要优于Kim简化方法。     

浅水航道船行波数值模拟研究

浅水航道船行波对于内河航运安全与航道维护存在诸多负面影响,近年来受到越来越多的关注。该文以水面扰动压强区域表达船舶航行影响,在浅水波传播的Boussinesq方程中引入压力梯度项,并据此改写开源程序COULWAVE代码以实现浅水航道船行波的数值模拟。通过对二维槽道和三维槽道等多个案例的模拟研究,再现了浅水航道孤立波现象,得到了船体前后船行波波态的完整信息,通过了模型试验结果的严格验证。研究结果证明了文中所采用浅水航道船行波模拟方法的应用有效性。     

台风浪风暴潮作用下三维潮流数值模拟

针对台风作用下三维潮流模拟的技术问题,本文提出了波流耦合的三维潮流数值模拟技术。首先,基于三重网格嵌套的超高分辨率的韦帕台风风场,应用第三代波浪模型、二维潮流模型、三维水动力泥沙模型FVCOM和非结构化网格的二维、三维三重嵌套的方式,通过二次开发重点解决了三维模型中波生流和波流共同作用底部剪切应力的计算,并建立了台风作用下波流耦合的三维潮流数学模型。然后,模拟计算了2007年韦帕台风作用下连云港海域波流耦合的三维潮流过程。最后,对连云港港进行了不同布置方案的计算。研究结果表明:旗台港区内水流流态和流速各布置方案差异均较小;徐圩港区随着港区内围填工程面积的增大,大范围环流现象逐渐消失,流速也随之变小。研究成果可为连云港港30万吨级航道工程的设计提供技术支持。