波浪引起的海底土层中的应力场和位移场

本文分析了波浪压力引起的海底土层中孔隙水流动的状况,给出了简化的力学模型来描述海底土层中孔隙水流动所引起的应力场和位移场.对波浪的分析采用了线性波的理论假设,波浪引起的压力计算采用高斯分布理论.孔隙流体和土骨架都假设为可压缩的,孔隙水在海底土层中的流动满足达西定律.由表示质量守恒的连续性方程与应力平衡方程出发,得到了由位移所表示的高阶微分方程,并给出了海底土层中位移场和应力场的解.其解依赖于孔隙流体和土骨架的相对压缩性,土的泊桑比和剪切模量,以及土介质的渗透率和各向异性等特性.文章还结合实际情况进行了计算,并分析了上述参数的影响.对如何应用上述结果提出了相应的参考意见.     

海啸数值模拟与南海海啸预警方法

海啸生成、传播、爬高与淹没过程,以及海啸预警方法是海啸动力学研究的重要内容.近十年来国内外学者在该领域开展了大量的研究工作.本文总结了海啸数学模型研究进展,重点介绍了高阶Boussinesq水波模型及其在海啸研究中的应用,包括海啸在沿海大陆架上传播、演化与爬高特征和实际海啸过程的数值模拟.针对南中国海马尼拉海沟断裂带潜在的海啸风险,建立了该海域的基于多浮标观测反演和数值模拟的海啸预警方法,并提出了一种新的快速预警策略.探讨了海啸波导致地磁场异常的理论预报模型,并针对实际海啸过程给出了地磁场异常的时空分布.     

层结流体平行剪切流的不稳定和重力内波

本文研究无粘的非Boussinesq层结流体平行剪切流的不稳定性质,其中充分考虑自由顶面以及底面呈二次曲线剖面的起伏效应,从而推广了Miles定理和Howard半圆定理。此外,还讨论了非静力学和非Boussinesq效应对重力内波的影响。     

基于Boussinesq方程的波浪模型

从欧拉方程出发，提供了另一种推导完全非线性Boussinesq方程的方法，并对方程的 线性色散关系和线性变浅率进行了改进. 改进后方程的线性色散关系达到了一阶Stokes波 色散关系的Pad\'{e}[4,4]近似，在相对水深达1.0的强色散波浪时仍保持较高的准确性，并且方程的非线性和线性 变浅率都得到了不同程度的改善. 方程的水平一维形式用预估-校正的有限差分格式求解， 建立了一个适合较强非线性波浪的Boussinesq波浪数值模型. 作为验证，模拟了波浪在潜 堤上的传播变形，计算结果和实验数据的比较发现两者符合良好.     

线性回归分析技术推估海底地形

为了填补船测海深数据空白,给出了海底地形起伏与重力异常和重力异常垂直梯度之间的导纳函数关系。据此,以测高重力异常、重力异常垂直梯度作为输入数据,采用线性回归分析技术,在西南太平洋相关海域开展了海底地形反演试验。结果表明,通过不同方法获取的比例因子与海底地形呈现一定的内在联系,地形平坦海域,比例因子较小;海山分布较多的地形起伏较大的海域,比例因子相对较大,反映了重力数据与海底地形较强的相关性。同时,采用线性回归方法构建的海底地形模型检核精度最高,相较于传统方法获取的海底地形模型,精度最高提升了46%左右,与ETOPO1海深模型和DTU10海深模型相比较,模型精度最大提高了近一倍有余。另外,不同方法对于不同的海底地形具有各自不同的优势,靠近海山区域,采用线性回归技术反演的海深结果优于传统方法;在海山部分,传统方法反演精度又好于线性回归技术。不同数据源反演海底地形的统计结果表明,以重力异常垂直梯度构建的海底地形模型的检核精度优于以重力异常作为输入数据构建的海底地形模型。     

关于采用高阶Boussinesq方程求解波浪散射问题的注记

本文讨论了采用高阶Boussinesq方程模拟波浪散射时对基本速度变量位置的局部光滑处理方法。通过光滑局部基本速度变量的取值深度，减小其高阶导数项的量值、加快级数收敛速度进而改善模型方程求解深水波浪散射问题的能力。对于底部边界具有一阶导数不连续的情况，通过局部光滑．可以将基本速度变量取值深度尖角转化为圆角过渡，从而改善速度分布。对于其它任意变化的底部边界，为了减少高阶底坡导数项的影响，在曲率和高阶底坡导数项与斜率具有相同量级的情况下亦需要对基本速度变量的取值深度局部光滑。数值计算结果表明本文提出的光滑技术可以很好地改善Boussinesq方程模拟浅水波和深水波在斜坡地形上散射问题的能力。     

海底管线抗震设计的极限地震应力计算法

针对现用海底管线地震应力计算时存在的计算应力过大、管线几何参数和埋设深度对计算结果几乎没有影响等问题,在考虑了海底管线实际埋设环境的基础上,通过理论分析,给出了考虑地震时管线周围约束土壤进入塑性滑移状态后的极限地震应力计算方法,来计算海底埋设管线在地震作用下所产生的最大地震应力。用该新方法分析了一实际管线工程的地震应力,并通过与现用方法计算结果的比较,证明该方法克服了现用设计方法仅考虑管土之间为弹性约束、管线几何尺寸对抗震设计影响很小等问题,有效反映了实际铺设环境对海底管线地震应力的作用。本文应用极限地震应力计算法,结合工程实例计算,进一步明确了管线几何参数和埋设深度对极限地震应力的影响规律,为准确计算海底管线的地震应力、制定海底管线抗震规范、进行已服役海底管线的地震风险评估和寿命预测奠定了基础。     

山抬风雨来, 海啸风雨多——————漫话海啸

地震的伴生灾害中最具破坏力的是海啸. 从力学角度讨论了海啸的形成原因, 以及与 海啸有关的一些问题. 海啸形成的原因有3个：地震、海底火山爆发或海底崩塌、以及宇宙 天体的影响. 世界上最早有海啸文字记录的是中国, 日本是发生海啸最多的地区.     

一类偏微分方程的Hamilton正则表示1)

主要给出一系列关于力学中的偏微分方程的无穷维Hamilton正则表示.其中包括变系数线性偏微分方程,KdV方程, MKdV方程, KP方程,Boussinesq方程等的无穷维Hamilton正则表示.     

热载荷下压电复合板有限元建模与形变控制

热载荷是引起在轨空间结构形变的重要因素之一，采用压电材料对结构热变形进行主动补 偿，需要建立热、电、力场相互耦合的动力学模型. 基于高阶位移场、高阶电势分布和线性 温度模型，推导了压电复合板结构的热、电、力场耦合的高阶有限元模型. 通过对压电双晶 片梁的分析，得到了压电片中电势沿厚度方向的抛物线型分布，而非通常文献中假设的线性 化分布模型的结果. 针对表面粘贴压电片的压电复合板，计算了热载荷作用下压电复合板的变形、 传感器的电压以及主动补偿后的结构变形，与文献给出的结果基本一致，验证了模型的正 确性. 同时还指出热电效应对结构变形和传感器电压具有十分重要的影响.     

A higher‐order Boussinesq‐type model with moving bottom boundary: applications to submarine landslide tsunami waves

A two‐dimensional depth‐integrated numerical model is developed using a fourth‐order Boussinesq approximation for an arbitrary time‐variable bottom boundary and is applied for submarine‐landslide‐generated waves. The mathematical formulation of model is an extension of (4,4) Padé approximant for moving bottom boundary. The mathematical formulations are derived based on a higher‐order perturbation analysis using the expanded form of velocity components. A sixth‐order multi‐step finite difference method is applied for spatial discretization and a sixth‐order Runge–Kutta method is applied for temporal discretization of the higher‐order depth‐integrated governing equations and boundary conditions. The present model is validated using available three‐dimensional experimental data and a good agreement is obtained. Moreover, the present higher‐order model is compared with fully potential three‐dimensional models as well as Boussinesq‐type multi‐layer models in several cases and the differences are discussed. The high accuracy of the present numerical model in considering the nonlinearity effects and frequency dispersion of waves is proven particularly for waves generated in intermediate and deeper water area. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Initial-value problem for coupled Boussinesq equations and a hierarchy of Ostrovsky equations

We consider the initial-value problem for a system of coupled Boussinesq equations on the infinite line for localised or sufficiently rapidly decaying initial data, generating sufficiently rapidly decaying right- and left-propagating waves. We study the dynamics of weakly nonlinear waves, and using asymptotic multiple-scale expansions and averaging with respect to the fast time, we obtain a hierarchy of asymptotically exact coupled and uncoupled Ostrovsky equations for unidirectional waves. We then construct a weakly nonlinear solution of the initial-value problem in terms of solutions of the derived Ostrovsky equations within the accuracy of the governing equations, and show that there are no secular terms. When coupling parameters are equal to zero, our results yield a weakly nonlinear solution of the initial-value problem for the Boussinesq equation in terms of solutions of the initial-value problems for two Korteweg-de Vries equations, integrable by the Inverse Scattering Transform. We also perform relevant numerical simulations of the original unapproximated system of Boussinesq equations to illustrate the difference in the behaviour of its solutions for different asymptotic regimes.     

促进其线性频散特征另一种形式的Bousinesq方程

Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程能够用于模拟表面重力波传播过程中的折射、绕射、反射以及浅化，非线性作用等现象．用不同垂直积分方法所得到的二维Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程形式具有不同的线性频散特征．采用两个不同的水深层的水平速度变量组合，推导出一个新形式的Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程．通过对其参数的设置可得到精确的线性频散解Ｐａｄｅ近似４阶精度．其适用范围已由原来的浅水，向深水拓进．相速误差小于２％，其拓展适用范围可达到０８个波长水深．应用所得到的新型Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程，采用有限差分法，对经典工况进行了数值模拟，其计算结果表明，计算值与物模实验值吻合较好．这说明本文新形式的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程对变水深非线性效应所产生的能量频散有着较为精确的描述     

促进其线性频散特征另一种形式的Bousinesq方程

Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程能够用于模拟表面重力波传播过程中的折射、绕射、反射以及浅化，非线性作用等现象．用不同垂直积分方法所得到的二维Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程形式具有不同的线性频散特征．采用两个不同的水深层的水平速度变量组合，推导出一个新形式的Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程．通过对其参数的设置可得到精确的线性频散解Ｐａｄｅ近似４阶精度．其适用范围已由原来的浅水，向深水拓进．相速误差小于２％，其拓展适用范围可达到０８个波长水深．应用所得到的新型Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程，采用有限差分法，对经典工况进行了数值模拟，其计算结果表明，计算值与物模实验值吻合较好．这说明本文新形式的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程对变水深非线性效应所产生的能量频散有着较为精确的描述     

Surface waves propagation in shallow water: A finite element model

A two-dimensional (in-plane) numerical model for surface waves propagation based on the non-linear dispersive wave approach described by Boussinesq-type equations, which provide an attractive theory for predicting the depth-averaged velocity field resulting from that wave-type propagation in shallow water, is presented. The numerical solution of the corresponding partial differential equations by finite-difference methods has been the subject of several scientific works. In the present work we propose a new approach to the problem: the spatial discretization of the system composed by the Boussinesq equations is made by a finite element method, making use of the weighted residual technique for the solution approach within each element. The model is validated by comparing numerical results with theoretical solutions and with results obtained experimentally.     

非均匀水流中非线性波传播的数值模拟

以一种考虑波流相互作用的新型{Boussinesq}型方程为控制方程组， 采用五阶{Runge}-{Kutta}-{England}格式离散时间积分，采用七点 差分格式离散空间导数，并通过采用恰当的出流边界条件，从而建立了非均匀水流中非线性 波传播的数值模拟模型. 通过对均匀水流与水深水域内和潜堤地形上存在弱流或强流时波浪 传播的数值模拟，说明模型能有效地反映水流对波浪传播的影响.     

Boussinesq cut‐cell model for non‐linear wave interaction with coastal structures

Boussinesq models describe the phase‐resolved hydrodynamics of unbroken waves and wave‐induced currents in shallow coastal waters. Many enhanced versions of the Boussinesq equations are available in the literature, aiming to improve the representation of linear dispersion and non‐linearity. This paper describes the numerical solution of the extended Boussinesq equations derived by Madsen and Sørensen (Coastal Eng. 1992; 15 :371–388) on Cartesian cut‐cell grids, the aim being to model non‐linear wave interaction with coastal structures. An explicit second‐order MUSCL‐Hancock Godunov‐type finite volume scheme is used to solve the non‐linear and weakly dispersive Boussinesq‐type equations. Interface fluxes are evaluated using an HLLC approximate Riemann solver. A ghost‐cell immersed boundary method is used to update flow information in the smallest cut cells and overcome the time step restriction that would otherwise apply. The model is validated for solitary wave reflection from a vertical wall, diffraction of a solitary wave by a truncated barrier, and solitary wave scattering and diffraction from a vertical circular cylinder. In all cases, the model gives satisfactory predictions in comparison with the published analytical solutions and experimental measurements. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

BIFURCATIONS OF TRAVELLING WAVE SOLUTIONS IN VARIANT BOUSSINESQ EQUATIONS

The bifurcations of solitary waves and kink waves for variant Boussinesq equations are studied by using the bifurcation theory of planar dynamical systems. The bifurcation sets and the numbers of solitary waves and kink waves for the variant Boussinesq equations are presented. Several types explicit formulas of solitary waves solutions and kink waves solutions are obtained. In the end, several formulas of periodic wave solutions are presented.