波-流相互作用的缓坡方程及其波作用量守恒

当表面波从开阔海域传播至近岸水域时,普遍的波一流相互作用经受着海底的强烈影响．运用水波Hamilton变分原理,建立了近岸水域任意水深变化海底上波一流相互作用的缓坡方程．它可包含波、流和水深一般变化的二阶效应,约化为某些典型的缓坡型方程．据此得出广义程函方程,并且证明该缓坡方程的波作用量守恒．     

缓坡方程的推广

为了描述水波和强烈的环境流在非平整海底上的相互作用,运用无旋运动的Lagrangian变分原理,对经典的Berkhoff缓坡方程进行了改进。假定水流沿水深方向基本上保持均匀性,这正如潮流运动的特征。海底地形由慢变、快变两个分量叠加构成;慢变分量满足缓坡逼近假定,快变分量的波长与表面波波长为同一量级,但其振幅小于表面波的振幅。在以上假定条件下,得到了适用于非平整海底的推广型浅水方程和应用性更加广泛的波－流－非平整海底相互作用的一般缓坡方程,并且从理论上证明一般缓坡方程包含了以下3种著名的缓坡型方程：经典的Berkhoff缓坡方程;波－流相互作用的Kirby缓坡方程、Dingemans关于沙纹海底的缓坡方程。最后,通过与Bragg反射实验数据的比较,表明该模型可以准确地反映快变海底的典型地貌特征。     

非平整、多孔介质海底上波浪传播的复合方程

为了反映近岸区域实际存在的多孔介质海底效应，并且考虑到波浪在刚性海底上传播模型的 最新研究进展，运用Green第二恒等式建立了波浪在非平整、多孔介质海底上传播的复合方 程. 假设水深和多孔介质海底层厚度均由两种分量组成：慢变分量，其水平变化的长度尺度大于 表面波的波长；快变分量，其水平变化的长度尺度与表面波的波长等阶，但其振幅小于表面 波的振幅. 另外，多孔介质层下部边界的快变分量比水深的快变分量小1个量级. 针对水体层和多孔介质层，选择Green第二恒等式方法给出了波浪传播和渗透的复合方程， 它在交接面上满足压力和垂直渗透速度的连续性条件,可充分考虑波数变化的一般连续性， 并包含了某些著名的扩展型缓坡方程.     

位势流动和非均匀介质中声波方程的36种形式

声波方程是对大多数声学问题进行数学描述的出发点. 那些得到 广泛应用的经典波动方程及对流波动方程都存在苛刻的适用条件, 即仅适用于描述处于静态或匀速运动状态的定常 均匀介质中的线性无耗散声波. 然而, 很多实际场合并不满足这些严格的适用条件. 本文对经典声波方程和对流声波 方程进行推广, 导出了编号为W1$\sim$W36的36种不同形式的声波方程, 涵盖了处于静止、势流或旋涡流状态下的非均匀 和/或非定常介质中的声波传播问题. 所考虑的声波传播情形包括: (1) 线性波, 即具有小梯度(小振幅)性质; (2)非线性波, 即具有陡峭梯度性质, 包括``波纹'(小振幅大梯度)或者大振幅波. 本文仅考虑非耗散声波, 即排除了由剪切、体积黏度及热传导所引起的耗散. 对具有匀熵或等熵(熵沿流线守恒)性质的均匀介质和非均匀介质中的声传播进行了研究但非等熵(即耗散)情况除外; 另外, 对非定常介质中的 声波问题也进行了分析. 所涉及的介质可以处于静止、匀速运动状态, 或者是非匀速的和/或非定常的平均流动, 包括: (1)低Mach数的势平均流(即不可压缩的平均态), 或高速势平均流(即非均匀可压缩的平均流); ② 变截面管 道中的准一维传播, 包括无平均流的号管和具有低或高Mach数平均流的喷管; 或③平面的、空间的、或轴对称的单 向剪切平均流. 本文没有探讨其他类型的旋涡平均流(将与耗散及其他情形一起留待下一步研究), 例如, 可能与剪切效应相结合的轴对称旋转平均流. 通过对流体力学的一般方程进行消元处理或根据声学变分原理, 导出了36种波动方程, 对一些波动方程还采用这两种方法进行相互校验. 尽管声波方程的36种形式没有涵盖非线性、非均匀与非定常及非匀速运动介质 这3个效应的所有可能的组合情形, 但它们的确包括了孤立状态下的各种效应, 并包括了多种多重效应组合的 情形. 虽然经典波动方程和对流波动方程仅适用于处于静止(或匀速运动)的均匀定常介质中的线性无耗散声波, 但它们在 相关文献中已被广泛采用; 本文给出的36种声波方程提供了它们多种有用的推广形式. 在许多实际应用中, 经典波动方 程和对流波动方程仅是粗略的近似, 声波方程的更一般形式可提供更令人满意的理论模型. 本文每节末尾给出了这些应用 的众多范例. 在这篇评论文章中引用了240篇参考文献.     

基于内变量理论的一种广义粘弹性本构方程

以Ｂｉｏｔ理论为基础，将弹性应变与非弹性尖变均取作状态为量，引入耗散势，建立了一种率相关非弹性本构关系及演变方程，进而导出一种广义的粘弹性本构方程。     

结构随机动力稳定性的定量分析方法

提出了结构随机动力稳定性的定量分析方法,讨论了经典的随机动力稳定性概念,指出结构动力稳定性不仅与结构参数有关,也与作用在结构上的外部载荷密切相关,据此引入了一种判定结构动力稳定性的新准则,明确了结构随机动力稳定性的基本涵义.在概率守恒原理基础上,推导了概率耗散系统的广义概率密度演化方程.引入结构动力失稳的物理机制作为引起概率耗散的驱动力,利用概率耗散系统概率密度演化方程、可以方便获得结构响应的概率密度演化过程,从而定量求解结构的动力稳定概率.据此,可以定量评价结构系统依概率为1或依给定概率意义上的结构随机动力稳定性.采用本文所建议方法对典型结构动力系统进行了随机动力稳定性分析,并与蒙特卡洛方法计算结果进行对比.数值结果表明了所建议方法的有效性.      

非平整运动海底上n层流动中波浪传播的Hamilton逼近

在海洋水域，界面波对大尺度变化流的作用是一种典型的分层流动现象．考虑一不可压缩、无黏的分层势流运动，建立了一个在非平整运动海底上的n层流体演化系统，并对其进行了Hamilton描述．每层流体具有各自的常密度、均匀流水平速度，其厚度由未扰动和扰动部分构成．相对于顶层流体的自由表面，刚性、运动的海底具有一般地形变化特征．在明确指出n层流体运动的控制方程和各层交界面上的运动学、动力学边界条件(包含各层交界面上张力效应)后，对该分层流动力系统进行了Hamilton构造，即给出其正则方程和其下述的正则变量：各交界面位移和各交界面上的动量势密度差。     

三维缓变流场上波浪折射—绕射的缓坡方程

运用Luke变分原理,建立了波浪在三维缓变流场中和缓变海底上折射-绕射的一般缓坡方程,据此给出了在几何-光学逼近（△↓S)^2=k^2有效时,波浪、环境流和海底坡度必须满足的若干条件,对一般缓坡方程进行了分类,在一种特定流场结构的假定下,得到了方程的行波解。     

波作用量守恒原理在波流相互作用中的应用

波和流相遇后，经过相互作用产生稳定的波流场．基于波作用量守恒原理，本文提出了解决Ｓｔｏｋｅｓ波与指数剖面流同向或反向相遇过程中波传播特性改变问题的五阶理论，给出了这种相互作用前后波参数间的关系和相应流场的变化，并与线性结果进行了比较．结果表明，当波流同向时，波变平缓；当波流反向时，波明显变陡．随着波流强度的增加，非线性的影响变得越来越明显，尤其当波同反向流相遇时，波幅显著增大，这时必须用非线性理论来考虑波流相互作用的影响     

Birkhoff系统的积分因子与守恒定理

本文提出了构造Birkhoff系统守恒律的积分因子方法。首先，给出了Birkhoff方程的积分因子的定义，研究了Birkhoff系统的守恒量存在必要条件；其次，建立了系统的积分因子与守恒律的对应关系，并给出了用于确定积分因子的广义Killing方程，最后，建立了守恒定理的逆定理。文末，举例说明结果的应用。     

A 1D Roe decomposition of a system of equations governing wave height transformation

A Roe‐type decomposition for a system of equations governing onshore/offshore wave transformation in coastal waters is derived. The equation set approximated pertains to coastal waters prior to wave breaking, and is based on depth‐averaging and time‐averaging of the Euler equations. The equations are those used in many commercial codes for simulation of wave height and wave‐averaged currents. This novel approach uses a combination of some standard Roe averages, together with physical reasoning and power series expansions to derive a Roe‐averaged Jacobian (with real, linearly independent eigenvectors) and ensures conservation, and thereby effects the decomposition. It is shown that the resulting derived Roe‐averaged quantities are accurate to a high degree, by comparing them with their analytical equivalents for a wide range of nondimensional water depths and slopes likely to be encountered in coastal problems. Numerical tests of time‐invariant wave height transformation and wave group propagation are undertaken; these indicate good performance of the scheme in practice. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Godunov‐type adaptive grid model of wave–current interaction at cuspate beaches

This paper presents a second‐order accurate Godunov‐type numerical scheme for depth‐ and period‐averaged wave–current interaction. A flux Jacobian is derived for the wave conservation equations and its eigensystem determined, enabling Roe's approximate Riemann solver to be used to evaluate convective fluxes. Dynamically adaptive quadtree grids are used to focus on local hydrodynamic features, where sharp gradients occur in the flow variables. Adaptation criteria based on depth‐averaged vorticity, wave‐height gradient, wave steepness and the magnitude of velocity gradients are found to produce accurate solutions for nearshore circulation at a half‐sinusoidal beach. However, the simultaneous combination of two or more separate criteria produces numerical instability and interference unless all criteria are satisfied for mesh depletion. Simulations of wave–current interaction at a multi‐cusped beach match laboratory data from the United Kingdom Coastal Research Facility (UKCRF). A parameter study demonstrates the sensitivity of nearshore flow patterns to changes in relative cusp height, angle of wave incidence, bed roughness, offshore wave height and assumed turbulent eddy viscosity. Only a small deviation from normal wave incidence is required to initiate a meandering longshore current. Nearshore circulation patterns are highly dependent on the offshore wave height. Reduction of the assumed eddy viscosity parameter causes the primary circulation cells for normally incident waves to increase in strength whilst producing rip‐like currents cutting diagonally across the surf zone. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

Extended Mild-Slope Equation

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＡｃｃｕｒａｔｅｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｓｕｒｆａｃｅｗａｖｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｃｏａｓｔａｌｒｅｇｉｏｎｓｈａｓｂｅｅｎｔｈｅｇｏａｌｏｆｍｕｃｈｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈ ,ｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｓｕｒｖｅｙｓｂｙＤｉｎｇｅｍａｎｓ( 1 997) [1]ａｎｄＫｉｒｂｙ( 1 997) [2 ].Ｔｈｅｒｉｃｈｎｅｓｓｏｆｃｏａｓｔａｌｗａｖｅｄｙｎａｍｉｃｓａｒｉｓｅｓｆｒｏｍｔｈｅｓｔｒｏｎｇａｍｂｉｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｗｉｄｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓ…     

A new numerical model for simulations of wave transformation,breaking and long‐shore currents in complex coastal regions

In this paper, we propose a model based on a new contravariant integral form of the fully nonlinear Boussinesq equations in order to simulate wave transformation phenomena, wave breaking, and nearshore currents in computational domains representing the complex morphology of real coastal regions. The aforementioned contravariant integral form, in which Christoffel symbols are absent, is characterized by the fact that the continuity equation does not include any dispersive term. A procedure developed in order to correct errors related to the difficulties of numerically satisfying the metric identities in the numerical integration of fully nonlinear Boussinesq equation on generalized boundary‐conforming grids is presented. The Boussinesq equation system is numerically solved by a hybrid finite volume–finite difference scheme. The proposed high‐order upwind weighted essentially non‐oscillatory finite volume scheme involves an exact Riemann solver and is based on a genuinely two‐dimensional reconstruction procedure, which uses a convex combination of biquadratic polynomials. The wave breaking is represented by discontinuities of the weak solution of the integral form of the nonlinear shallow water equations. The capacity of the proposed model to correctly represent wave propagation, wave breaking, and wave‐induced currents is verified against test cases present in the literature. The results obtained are compared with experimental measures, analytical solutions, or alternative numerical solutions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

相空间中非保守系统的Herglotz广义变分原理及其Noether定理

与经典变分原理相比,基于由微分方程定义的作用量的Herglotz广义变分原理给出了非保守动力学系统的一个变分描述,它不仅能够描述所有采用经典变分原理能够描述的动力学过程,而且能够应用于经典变分原理不能适用的非保守或耗散系统.将Herglotz广义变分原理拓展到相空间,研究相空间中非保守力学系统的Herglotz广义变分原理与Noether定理及其逆定理.首先,提出相空间中Herglotz广义变分原理,给出相空间中非保守系统的变分描述,导出相应的Hamilton正则方程;其次,基于非等时变分与等时变分之间的关系,导出相空间中Hamilton-Herglotz作用量变分的两个基本公式;再次,给出Noether对称变换的定义和判据,提出并证明相空间中非保守系统基于Herglotz变分问题的Noether定理及其逆定理,揭示了相空间中力学系统的Noether对称性与守恒量之间的内在联系.在经典条件下,Herglotz广义变分原理退化为经典变分原理,与之相应的相空间中的Noether定理退化为经典Hamilton系统的Noether定理.文末以著名的Emden方程和平方阻尼振子为例说明上述方法和结果的有效性.