考虑不同护岸形式的近岸波浪场数值模拟研究

论文摘要

波浪是近岸工程的主要动力因素之一,其计算一直深受重视。当外海深水区的风浪或涌浪传播至海岸附近的浅水区时,受水深、地形等因素的影响,波浪的传播速度、波长、波高、波面状况等将发生明显变化。由于浅水区是人类实践活动的主要区域,所以浅水区的波浪变化对近岸海洋环境、资源和工程建设等影响最大。在海岸工程项目中,波浪变形预报及波浪破碎引起的近岸区流场问题一直是海岸动力学的重要课题。建立一种高精度的近岸区波浪变形预报模型以及波浪破碎模型,不但具有很高理论价值,而且具有直接工程意义。同时,在波浪数值模拟中,不同护岸形式具有不同的反射率,因此,合理率定反射率在数值模拟中起着十分重要的作用。本论文在查阅国内外大量文献的基础上,概括总结了各种类型的波浪计算模型,以及数值模拟方法。论文在前人已有工作的基础上,采用能够模拟近海地区波浪变形的完全非线性Boussinesq波浪模型,对其进行了扩展,使之具备造波、消波、动边界处理的能力。同时本文采用预测一校正有限差分格式对拓展后的方程进行离散和求解。在方程数值求解过程中,本文引入了数值过滤技术,有效去除由于相互作用的非线性效应产生的极小波长谐波,保证了数值计算的精度。为验证模型适用性和精度,本文针对多个经典实验地形进行了数值模拟,并将所得结果与实验实测数据进行了比较,二者吻合良好,说明本文模型具有良好的适用性和足够的精度。同时,本文结合物理模型试验,基于两点法,研究了不同护岸形式的波浪发射率,探讨了其在波浪场数值模拟中的作用,为实际工程数值计算提供合理的边界波浪反射系数,提高了数值模拟的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 波浪数学模型的分类及其研究
• 1.1.1 基于Snell 定律的射线理论
• 1.1.2 能量平衡模型
• 1.1.3 基于微幅波理论的缓坡方程
• 1.1.4 基于Navier-stokes 方程的模型
• 1.1.5 Boussinesq 型方程及其研究进展
• 1.2 反射系数的研究情况
• 1.2.1 单向不规则波入、反射波浪场的分离
• 1.2.2 多向不规则波方向谱分析及反射系数研究
• 1.3 斜坡堤构造及护面块体形式
• 1.4 本文的主要工作
• 2 理论模式
• 2.1 概述
• 2.2 基本方程推导
• 2.3 Boussinesq 型方程弥散关系
• 2.4 方程的拓展
• 2.4.1 源函数造波方法
• 2.4.2 考虑波浪破碎作用
• 2.4.3 考虑底摩擦
• 2.4.4 子网紊动混合
• 2.4.5 动边界处理
• 2.4.6 边界条件
• 3 方程离散和求解
• 3.1 方法综述
• 3.1.1 非线性波浪的数值模拟方法
• 3.1.2 有限差分法
• 3.1.3 差分格式的构造
• 3.2 差分格式及求解方法
• 3.2.1 时间差分（Time-differencing）
• 3.2.2 空间差分（Spatial-differencing）
• 3.2.3 边界条件差分
• 3.3 数值滤波
• 3.4 程序流程图
• 4 反射率物理模型试验
• 4.1 试验依据条件
• 4.1.1 试验水位
• 4.1.2 试验断面
• 4.1.3 波浪要素
• 4.1.4 试验依据的规范和规程
• 4.1.5 试验设备与方法
• 4.2 试验成果及分析
• 4.2.1 断面一：初步设计断面试验
• 4.2.2 断面二：初步设计断面试验
• 4.2.3 断面三：初步设计断面试验
• 4.3 反射率试验结论
• 5 模型验证
• 5.1 造波、消波和直墙反射
• 5.2 Berkhoff 验证地形算例
• 5.3 本章总结
• 6 模型工程应用
• 6.1 工程地形
• 6.2 工程计算结果
• 6.2.1 工况1
• 6.2.2 工况2
• 6.2.3 工况3
• 6.3 工况结果分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论及展望
• 7.1 本文研究成果
• 7.2 展望与设想
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文