基于非静压波流模型的浅水区域波浪水流相互作用的数值研究

摘要

波浪在传播到浅水时会伴随着强烈的非线性特征，如波峰变尖锐、波谷变平坦、波峰向前倾或者向后倾。影响波浪浅水演化过程中的非线性特征的因素包括波高、水深、坡度等。自然界中的波浪向近岸传播时往往伴随着水流，水流通过与波浪的相互作用，也能影响波浪的非线性特征。此外，当强逆流的流速达到某一临界值时，波浪会被阻隔，能量不能再向前传播。本文将通过非静压波流模型研究波流相互作用时，水流对浅水波浪非线性特征的影响以及强逆流与波浪作用时的波浪阻隔现象。
　　通过物理模型实验验证了数值模型SWASH在模拟纯波浪以及波流共同作用时，所得到的非线性特征量Ursell数、不对称度、偏度、峰度是可靠的。一些非线性特征量（不对称度、偏度、峰度）可以通过小波二阶谱求得，而Ursell数可以通过经验公式得到。通过SWASH数值模型模拟水流与波浪的共同作用，研究了单色波、双色波、不规则波与水流共同作用下，波浪通过潜堤时非线性特征量的变化规律，得到了不同流向（顺流、逆流以及无流）、不同流速对波浪非线性特征的影响。研究了不同流速下不规则波的Ursell数与不对称度、偏度的关系，并给出了各流速下的经验公式。通过对数值模拟结果的分析发现在潜堤的变浅区，相比于无流，顺流能够增强波浪的非线性特征，且流速越大增强的幅度越明显;而逆流会减弱波浪的非线性特征，逆流流速越大，波浪非线性特征减弱的越明显。
　　此外通过数值模型SWASH模拟了单色波、双色波、不规则波与强逆流作用，研究了不同频率，不同波高、不同流速下的波浪阻隔现象，发现高频波浪比低频波浪更容易被阻隔，波陡的增大会导致波浪能量向低频传递，使得波浪更不容易被完全阻隔。对于合适波陡的波浪，如果波浪在阻隔点之前未破碎，那么波浪在阻隔点处会被反射并有可能发生驻波的现象。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 文献综述

1．2 本文涉及的基本概念

1．2．1 波浪的非线性特征量

1．2．2 强逆流作用下的波浪阻隔

1．3 本文的主要工作

2 SWASH数值模型简介

2．1 控制方程

2．2 边界条件

2．3 波浪破碎的模拟

2．4 数值方法及适用范围

3 SWASH数值模型的验证

3．1 物理模型实验介绍

3．1．1 实验目的与意义

3．1．2 实验简介

3．1．3 纯波浪、无水流情况的物理模型实验

3．1．4 波浪水流共同作用情况的物理模型实验

3．2 纯波浪情况下SWASH数值模型的验证

3．2．1 单色波的验证

3．2．2 双色波的验证

3．2．3 不规则波的验证

3．3 SWASH数值模型模拟水流的验证

3．4 波浪、水流共同作用下SWASH数值模型的验证

4 水流对波浪在潜堤上传播时非线性特征量的影响

4．1 水流对单色波在潜堤上传播时的影响

4．2 水流对双色波在潜堤上传播时的影响

4．3 水流对不规则波在潜堤上传播时的影响

4．3．1 逆流情况下不规则波的非线性特征

4．3．2 顺流情况下不规则波的非线性特征

4．3．3 不对称度偏度与Ursell数的关系

4．4 本章小结

5 强逆流作用下波浪阻隔的数值研究

5．1 单色波在强逆流情况下的波浪阻隔现象

5．2 双色波在强逆流情况下的波浪阻隔现象

5．3 不规则波在强逆流情况下的波浪阻隔现象

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢