近岸波浪折绕射联合模型的研究与应用

论文摘要

本文将近岸波浪折绕射联合模型应用于桑沟湾寻山电厂防波堤的设计波要素的计算,并以此为基础研究了流场引起的波高变化情况,探讨了计算区域内风对波浪的影响。随着海洋工程的发展,波浪作为一个重要的海洋环境要素,其研究的进程也随之向前推进。本文回顾了自上个世纪以来以计算机为基础的波浪数值模型的发展历程和在发展中不断应用的实际情况,阐明了波浪数值模拟在波浪研究中的可行性及其在应用中的重要作用和重大价值。基于缓坡方程的波浪折绕射模型是波浪模型中重要的一类,蒋德才等人开创并发展起来的折绕射模型经历了十几年的发展,已成型并成功应用于波浪的计算。本文从最原始的缓坡方程出发,逐步推导出其差分格式,介绍了边界条件的处理,系统阐述了模型的基本原理和应用方法。实践是检验真理的唯一标准,是不是好的理论需要实际应用来检验。本文将折绕射模型应用于寻山电厂防波堤的设计波要素计算,通过附近成山头和石岛海洋站的年极值资料,推得模型计算的边界条件,计算了NE(NNE)、E(ESE)、SE(SSE)、S方向的不同重现期波要素情况不同水位条件下的波浪,描述了各个方向波浪的特征,给出了各种情况下防坡堤周围关键点的波要素值。在前述基础上,本文考虑了在ECOM模拟的流场中波浪的变化情况,得到小流场对波高基本不产生影响的结论。进一步,在假定的均匀流场情况下,研究了波高随流变化的情况,得到结论:流向与波向相同时,波高减小;流向与波向相反时,波高增大;在方向相反大小相同的流速下,波高增大效应强于波高减小效应。风是影响波浪的另一个重要因素,本文在计算区域内利用浅水风浪成长公式引入风浪的计算。由于本文的计算区域较小、网格步长较短,区域内的风的影响可忽略不计。但在某些情况下,计算区域较大时,应该充分考虑风的影响。全文以国内原创的波浪折绕射模型为基础,进行波浪的数值计算。在计算中,充分考虑和探讨了影响波浪的风和流这两个因素的引入所带来的变化。为了使模型的应用更加方便,考虑的因素更加全面,将来的工作要处理好波长与步长的关系,并引入其它影响波浪变化的因素,使波浪折绕射模型发挥更大的作用,创造更大的价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 波浪折绕射模型的研究意义和现状
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 理论发展
• 1.1.3 应用情况
• 1.2 本文所作的工作
• 2 折绕射模型介绍
• 2.1 理论基础
• 2.1.1 规则波折绕射方程导出
• 2.1.2 不规则波折绕射方程导出
• 2.1.3 波浪破碎的计算
• 2.2 差分方程
• 2.2.1 控制方程的差分格式
• 2.2.2 方向谱的离散
• 2.2.3 边界条件的处理
• 2.3 计算步骤
• 3 折绕射模型在桑沟湾的应用
• 3.1 桑沟湾的地理条件和环境要素
• 3.1.1 桑沟湾位置与自然地理
• 3.1.2 桑沟湾风概况
• 3.1.3 桑沟湾波浪概况
• 3.2 边界条件获得
• 3.2.1 成山头海洋站重现期波要素推算
• 3.2.2 石岛海洋站重现期波要素推算
• 3.2.3 波要素选定
• 3.3 数值模拟内容
• 3.4 数值模拟结果分析
• 3.4.1 NE向重现期波要素分析
• 3.4.2 E向重现期波要素分析
• 3.4.3 SE向重现期波要素分析
• 3.4.4 S向重现期波高场分析
• 4 折绕射模型中流场对波浪的影响研究
• 4.1 折绕射模型中流场的引入
• 4.2 工程海域流场模拟
• 4.2.1 采用Ecom模式进行流场模拟
• 4.2.2 流场验证
• 4.3 模拟流场下波浪的变化
• 4.4 均匀流场下波浪变化的研究
• 5 风浪成长公式与折绕射模型的联合应用
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 工作的展望
• 参考文献
• 附图
• 致谢