近岸非平整海底上耗散动力系统的广义波作用量守恒方程

为刻划近岸波-流-海底相互作用耗散动力系统的多种复杂作用机制，着眼于波浪对近岸大尺度变化环境流作用和考虑多变海底地形(可典型地刻划为由慢变水深和快变水深构成)的影响，由基于黏性流体Navie-Stokes方程的平均流方程，建立了近岸耗散动力系统的广义波作用量守恒方程，从中提出垂向速度波作用量和耗散波作用量这两种新概念，使得它们和经典的波作用量相互间达成了一种互补、协调而又主次分明的更为广泛的守恒形式．从而把波作用量这一经典概念从理想的平均流守恒系统引申到实际的平均流耗散系统(即广义守恒系统)中去，为解释沿岸过程和应用于近海、海岸工程提供了一个理论基础．     

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.     

被均匀流缓慢调制的有限水深毛细重力波

非线性的存在会产生高次谐波,这些谐波又反作用于原来的低次谐波,使波幅发生缓慢变化,从而产生缓慢调制现象．这里从考虑均匀流作用下的毛细重力水波基本方程出发,在不可压缩、无旋、无黏条件假设下,使用多重尺度分析方法推导出了在均匀流影响下有限深水毛细重力波振幅所满足的非线性Schr?dinger方程(NLSE)．分析了NLSE解的调制不稳定性．给出了毛细重力波调制不稳定的条件和钟型孤立波产生的条件．分析了无量纲最大不稳定增长率随无量纲水深和表面张力的变化趋势．同时给出了无量纲不稳定增长率随无量纲微扰动波数变化的曲线,呈现出了先增大后减小的趋势．最后指出均匀顺流减小了无量纲不稳定增长率及最大增长率,逆流增大了它们．由表面张力作用产生的毛细波及重力与表面张力共同作用产生的毛细重力波,与流的相互作用可以改变海表粗糙度和海洋上层流场结构,进而影响海气界面动量、热量及水汽的交换．了解海表这些短波动力机制,对卫星遥感的精确测量、海气相互作用的研究及海气耦合模式的改进等有重要意义．      

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.     

孤立波与多个潜水障碍物相互作用的数值研究

本文以完整二维Navier-Stokes方程为控制方程,采用VOF界面跟踪技术和差分方法,数值计算孤立波与多个淹没水下物体相互作用的问题。本文对潜水物体的高度接近水深时,孤立波通过水下孤立直立方柱、两个间距较大的水下直立方柱和两个间距较小的水下直立方柱等三种情况分别进行了计算,给出了波形随时间的演化图,可以看到反射波、前传波和跟随振荡型小波列的生成。对孤立波通过水下孤立直立方柱情形的计算结果,与实验结果和势流理论结果进行了比较。     

求解浅水波方程的并行物理信息神经网络算法

双曲守恒律方程是一类比较特殊的偏微分方程,其数值求解方法的研究一直是一个热点问题,一个显著特性是即使初始条件是光滑的,其解也可能会发展成间断。浅水波方程作为非线性双曲守恒律方程,由于间断解的存在,其精确求解存在很大困难。针对浅水波方程数值求解问题,本文基于PINN(Physics informed neural networks)反问题网络结构构造新的网络,构造的网络结构包括两个并行的神经网络,其中一个网络与已知状态数据(熵稳定格式加密求出)相关,另一个网络与方程本身相关。利用已知速度数据结合浅水波方程本身求解未知水深,最终通过一些数值算例验证网络的可行性。结果表明,新的网络结构可用于浅水波方程求解,利用速度数据可以较为精确地推算出水深。     

随机波浪作用下近岸波流场的数值模拟

结合近岸波浪抛物型缓坡模型和近岸波流场模型,对近岸不规则波浪及其破碎后所产生的流场进行了数值模拟. 在不规则波浪场的模拟中,采用JONSWAP波浪谱对入射单向不规则波浪要素按等分频率法进行离散,应用考虑波浪不规则性和破碎效应的抛物型缓坡方程对波浪场进行数值模拟,并基于抛物型缓坡方程中的波浪势函数等参数计算波浪辐射应力,以波浪辐射应力为主要动力因素基于近岸流数学模型对近岸波浪破碎所产生的近岸流场进行数值模拟,并对数值模拟结果进行了验证. 模拟结果表明该模型可有效地用于研究波浪破碎产生的近岸波流场.      

浅水孤立波在三维浮体上的绕射

浅水域中非线性水波运动的控制方程通常是经过深度平均的Boussinesq方程。然而,这一方程在浮体近旁或水下障碍物附近不再适用,在这些区域,流动在水深方向的变化不容忽略,本文应用匹配渐近展开法和边缘层(edge layer)思想,建立了浅水弱非线性波与三维浮体相互作用的数学模型,作为算例,求解了浅水孤立波在垂直圆柱形浮体上的绕射.本方法可以推广到波在一般浮体上绕射的情况。     

被均匀流缓慢调制的有限水深毛细重力波

非线性的存在会产生高次谐波,这些谐波又反作用于原来的低次谐波,使波幅发生缓慢变化,从而产生缓慢调制现象.这里从考虑均匀流作用下的毛细重力水波基本方程出发,在不可压缩、无旋、无黏条件假设下,使用多重尺度分析方法推导出了在均匀流影响下有限深水毛细重力波振幅所满足的非线性Schr¨odinger方程(NLSE).分析了NLSE解的调制不稳定性.给出了毛细重力波调制不稳定的条件和钟型孤立波产生的条件.分析了无量纲最大不稳定增长率随无量纲水深和表面张力的变化趋势.同时给出了无量纲不稳定增长率随无量纲微扰动波数变化的曲线,呈现出了先增大后减小的趋势.最后指出均匀顺流减小了无量纲不稳定增长率及最大增长率,逆流增大了它们.由表面张力作用产生的毛细波及重力与表面张力共同作用产生的毛细重力波,与流的相互作用可以改变海表粗糙度和海洋上层流场结构,进而影响海气界面动量、热量及水汽的交换.了解海表这些短波动力机制,对卫星遥感的精确测量、海气相互作用的研究及海气耦合模式的改进等有重要意义.     

Extended Mild-Slope Equation

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

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。     

Canonical equations for almost periodic,weakly nonlinear gravity waves

A set of stable canonical equations of second order is derived, which describe the propagation of almost periodic waves in the horizontal plane, including weakly nonlinear interactions. The derivation is based on the Hamiltonian theory of surface waves, using an extension of the Ritz variational method. For waves of infinitesimal amplitude the well-known linear refraction-diffraction model (the mild-slope equation) is recovered. In deep water the nonlinear dispersion relation for Stokes waves is found. In shallow water the equations reduce to Airy's nonlinear shallow-water equations for very long waves. Periodic solutions with steady profile show the occurrence of a singularity at the crest, at a critical wave height.     

Complementary mild-slope equations in a two-layer fluid

Mild-slope (MS) type equations are depth-integrated models, which predict under appropriate conditions refraction and diffraction of linear time-harmonic water waves. By using a streamfunction formulation instead of a velocity potential one, the complementary mild-slope equation (CMSE) was shown to give better agreement with exact linear theory compared to other MS-type equations. The main goal of this work is to extend the CMSE model for solving two-layer flow with a free-surface. In order to allow for an exact reference, an analytical solution for a two-layer fluid over a sloping plane beach is derived. This analytical solution is used for validating the results of the approximated MS-type models. It is found that the two-layer CMSE model performs better than the potential based one. In addition, the new model is used for investigating the scattering of linear surface water waves and interfacial ones over variable bathymetry.     

基于相平均方法的折射绕射联合波浪模型

近岸带波浪运动的研究具有很重要的工程意义,近年来已获得了较丰硕的研 究成果并发展了许多波浪模型,而基于不同理论的波浪模型往往具有特定的适用性. 在海岸 工程中应用比较广泛的一类波浪模型以波能(波作用量)守恒为基本依据,如SWAN模型. 该 类模型在实际工程中已经得到了大量的应用,但该类模型未计及波浪绕射效应,成为其突出 的缺陷之一. 如何对模型做适当的改进,使之适用于波浪绕射的模拟,从而在原有基础上拓 广模型的应用范围是一项具有实际意义的研究工作. 该文采用波能(波作用量)守恒方程描 述近岸带波浪运动,通过引入绕射因子,得到折射、绕射联合波浪模型,从而拓广了模型的 应用范围. 通过实际算例验证,表明所建立的模型计及了波浪折射、绕射作用,对相平 均波浪模型在波浪绕射效应模拟方面的改进具有一定的意义.     

A boundary-type finite element model for water surface wave problems

A new combinative method of boundary-type finite elements and boundary solutions is presented to study wave diffraction-refraction and harbour oscillation problems. The numerical model is based on the mild-slope equation. The key feature of this method is that the discretized matrix equation can be formulated only by the calculation of a line integral, since the interpolation equation which satisfies the governing equation in each element is used. The numerical solutions are compared with existing analytical, experimental, observed and other numerical results. The present method is shown to be an effective and accurate method for water surface wave problems.     

A coupled-mode model for water wave scattering by vertically sheared currents in variable bathymetry regions

A coupled-mode model is developed for treating the wave–current–seabed interaction problem, with application to wave scattering by non-homogeneous, sheared current with linear vertical velocity profile, over general bottom topography. The wave potential is represented by a series of local vertical modes containing the propagating and evanescent modes, plus additional terms accounting for the satisfaction of the boundary conditions. Using the above representation, in conjunction with a variational principle, a coupled system of differential equations on the horizontal plane is derived, with respect to the unknown modal amplitudes. In the case of small-amplitude waves, a linearized version of the above coupled-mode system is obtained, extending previous analysis by Belibassakis et al. (2011) to the propagation of water waves over variable bathymetry regions in the presence of vertically sheared currents. Keeping only the propagating mode in the vertical expansion of the wave potential, the present system reduces to a one-equation model, that is shown to extend known mild-slope mild vertical shear equation concerning wave–current interaction over slowly varying topography. After additional simplifications, the latter model is shown to be compatible with the extended mild-slope mild-shear equation by Touboul et al. (2016). Results are presented for various representative test cases demonstrating the usefulness of the present coupled mode system and the importance of various terms in the modal expansion, and compared against experimental data collected in wave flume validating the present method. The analytical structure of the present system facilitates extensions to model non-linear effects and applications concerning wave scattering by inhomogeneous currents in coastal regions with general 3D bottom topography.     

Interactions among different types of nonlinear waves described by the Kadomtsev–Petviashvili equation

In nonlinear science, the interactions among solitons are well studied because the multiple soliton solutions can be obtained by various effective methods. However, it is very difficult to study interactions among different types of nonlinear waves such as the solitons (or solitary waves), the cnoidal periodic waves and Painlevé waves. In this paper, taking the Kadomtsev–Petviashvili (KP) equation as an illustration model, a new method is established to find interactions among different types of nonlinear waves. The nonlocal symmetries related to the Darboux transformation (DT) of the KP equation is localized after embedding the original system to an enlarged one. Then the DT is used to find the corresponding group invariant solutions. It is shown that the essential and unique role of the DT is to add an additional soliton on a Boussinesq-type wave or a KdV-type wave, which are two basic reductions of the KP equation.     

变深度浅水域中非定常船波

以Green—Naghdi(G—N)方程为基础，采用波动方程／有限元法计算船舶经过变深度浅水域时非定常波浪特性．把运动船舶对水面的扰动作为移动压强直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用．以Series60 CB＝0．6船为算例，给出自由面坡高，波浪阻力在船舶经过一个水下凸包时变化规律，并与浅水方程的结果进行了比较．计算结果表明，当船舶经过凸包时，波浪阻力先增加，后减少，并逐渐趋于正常．同时发现，当船速小于临界速度时(Fr＝√gh＜1．0)，G—N方程给出的船后尾波比浅水方程的结果明显，波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高，频率散射必须考虑．当船速大于临界速度时(Fr＝√gh＞1．0)，G—N方程的计算结果与浅水方程差别不大，频率散射的影响可以忽略．