破碎带波浪的数值模拟

基于一组色散关系得到改进的完全非线性Boussinesq方程建立了一个波浪模型可以模拟近岸水域的波浪变浅、破碎以及在海滩上的爬高等多种变形.波浪破碎引起的能量衰减是在动量方程中引入一个在空间和时间上都只作用于波前的涡粘项来模拟.动海岸线边界用窄缝法处理.波浪爬高用非线性浅水方程推导的非破碎波浪在斜坡上爬高的解析解来验证.本模型还模拟了波浪在斜坡上不同类型的破碎变形过程,并将其波高和平均水位的沿程变化和物理模型实验的结果比较,两者符合良好.     

基于MUSTA格式的全非线性Boussinesq波浪传播数值模型

建立了求解二维全非线性布氏（Boussinesq）水波方程的有限差分/有限体积混合数值格式. 针对守恒形式的控制方程,采用有限体积方法并结合 MUSTA格式计算数值通量, 剩余项则采用有限差分方法求解, 采用具有总变差减小（totalvariation diminishing, TVD）性质的三阶龙格-库塔法进行时间积分.该格式具备间断捕捉、程序实现简单、数值稳定性强、海岸动边界以及波浪破碎处理方便和可调参数少等优点.利用典型算例对数值模型进行了验证,计算结果与实验数据吻合较好.     

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。     

论一类四阶Boussinesq方程的变浅性能

Boussinesq 类水波模型在港口、海岸以及海洋工程领域应用广泛,但以前对这类模型的变浅性能的研究不够充分. 针对Madsen 和Schäffer 提出的一组四阶Boussinesq 方程,从理论和数值两个方面对这一问题进行了探讨. 理论分析了其变浅性能,指出该文献中参数α₂ 和β₂ 的取值是不合理的,并重新确定其取值. 在交错网格下建立了基于混合4 阶Adams-Bashforth-Moulton 格式的预报-校正数值模型. 数值模拟了两个典型算例： 一是缓变平坡地形上波浪的传播变形,二是波浪在淹没梯形潜堤上的波浪演化过程. 计算结果分别与解析结果、物理模型实验结果进行了比较,发现变浅系数的取值对数值结果影响很大,新参数比原文参数模拟结果的吻合程度更高,这佐证了理论分析.     

港口非线性波浪耦合计算模型研究

建立了外域用差分法求解高阶Boussinesq方程、内域用边界元法求解Laplace方程的二维船 非线性波浪力时域计算的耦合模型. 研究了该类耦合模型的匹配条件、耦合求解过程和内域、 外域公共区域长度的确定. 该耦合模型计算结果与只用边界元求解Laplace方程模型的计算 结果和实验结果对比表明,该耦合模型不仅计算精度高,而且计算效率快,适用于研究较大 区域内波浪对物体的非线性作用.     

直立码头前船波浪力耦合计算模型

建立了外域用Boussinesq方程、内域用刚体运动方程的直立码头前二维船剖面波浪力的时 域计算耦合模型,内域与外域在交界面的匹配条件是流量连续和压力相等. 进行了相关模型 实验,并把计算结果与实验结果进行了对比. 推导了船体与水底和直立码头之间间隙内流体 运动的自振频率,研究了间隙内流体运动的共振现象.     

海岸波浪场模型研究进展

从建模原理、波浪在近岸区域传播的众多机制、模型的类别、优势、局限性以及模型在未来的发展趋势等方面,综述了在海岸工程实践中广泛运用的以下两大类海岸波浪场预测模型的最新研究进展:(1)能量平衡模型.它一般用来预测海洋深水波候,已发展到相当完善的阶段,例如,最为著名的WAM3G模型.这种模型在海岸工程中的作用就在于可以模拟施加在波浪上的随时间变化的风场效应.(2)质量、动量守恒模型.它在海岸工程中应用最为普遍,并且内容丰富,数值技巧多样.目前包含了以下代表性的模型:缓坡方程、抛物型方程、非线性浅水方程、高阶Boussinesq型方程、Green-Naghdi理论.      

淤泥质海床上波浪衰减研究

本文是国内外关于波浪在淤泥海床上的衰减研究的综述.介绍了各种模型,包括:粘性流体模型、粘弹性流体模型、多孔弹性体模型、非线性的宾汉流体模型及边带阻尼理论.与实验及野外观察结果进行了比较.评论了各种模型的现状、优缺点及发展趋势.     

基于VPM-THINC/QQ模型的波浪高保真模拟

为实现波浪传播的高保真数值模拟,采用包含单元均值和点值(volume-average/point-value method,VPM)的有限体积法求解纳维-斯托克斯方程和具有二次曲面性质和高斯积分的双曲正切函数(THINC method with quadratic surface representation and Gaussian quadrature,THINC/QQ)方法来重构自由面,建立以开源求解库OpenFOAM底层函数库为基础的VPM-THINC/QQ模型. 在本模型中添加推板造波法实现波浪的产生功能,采用松弛法实现消波功能,构建高精度黏性流数值波浪水槽. 分别采用VPM-THINC/QQ模型和InterFoam求解器(OpenFOAM软件包中广泛使用的多相流求解器)开展规则波的数值模拟,重点探究网格大小和时间步长等因素对波浪传播过程的影响,定量地分析波高衰减程度;为验证本模型的适应性,对长短波进行模拟. 结果表明,在相同网格大小或时间步长条件下,VPM-THINC/QQ模型的预测结果与参考值吻合较好,波高衰减较少,且无相位差,在波浪传播过程的模拟中呈现出良好的保真性. 本文工作 为波浪传播的模拟研究提供了一种高精度的黏性数值波浪水槽模型.     

基于VPM-THINC/QQ模型的波浪高保真模拟

为实现波浪传播的高保真数值模拟,采用包含单元均值和点值(volume-average/point-value method,VPM)的有限体积法求解纳维-斯托克斯方程和具有二次曲面性质和高斯积分的双曲正切函数(THINC method with quadratic surface representation and Gaussian quadrature,THINC/QQ)方法来重构自由面,建立以开源求解库OpenFOAM底层函数库为基础的VPM-THINC/QQ模型. 在本模型中添加推板造波法实现波浪的产生功能,采用松弛法实现消波功能,构建高精度黏性流数值波浪水槽. 分别采用VPM-THINC/QQ模型和InterFoam求解器(OpenFOAM软件包中广泛使用的多相流求解器)开展规则波的数值模拟,重点探究网格大小和时间步长等因素对波浪传播过程的影响,定量地分析波高衰减程度;为验证本模型的适应性,对长短波进行模拟. 结果表明,在相同网格大小或时间步长条件下,VPM-THINC/QQ模型的预测结果与参考值吻合较好,波高衰减较少,且无相位差,在波浪传播过程的模拟中呈现出良好的保真性. 本文工作 为波浪传播的模拟研究提供了一种高精度的黏性数值波浪水槽模型.      

ON SHOALING PROPERTY OF A SET OFFOURTH DISPERSIVE BOUSSINESQ MODEL

Boussinesq 类水波模型在港口、海岸以及海洋工程领域应用广泛,但以前对这类模型的变浅性能的研究不够充分. 针对Madsen 和Schäffer 提出的一组四阶Boussinesq 方程,从理论和数值两个方面对这一问题进行了探讨. 理论分析了其变浅性能,指出该文献中参数α₂ 和β₂ 的取值是不合理的,并重新确定其取值. 在交错网格下建立了基于混合4 阶Adams-Bashforth-Moulton 格式的预报-校正数值模型. 数值模拟了两个典型算例： 一是缓变平坡地形上波浪的传播变形,二是波浪在淹没梯形潜堤上的波浪演化过程. 计算结果分别与解析结果、物理模型实验结果进行了比较,发现变浅系数的取值对数值结果影响很大,新参数比原文参数模拟结果的吻合程度更高,这佐证了理论分析.     

A FULLY NONLINEAR BOUSSINESQ MODELFOR WAVE PROPAGATION BASED ON MUSTA SCHEME

建立了求解二维全非线性布氏（Boussinesq）水波方程的有限差分/有限体积混合数值格式. 针对守恒形式的控制方程,采用有限体积方法并结合 MUSTA格式计算数值通量, 剩余项则采用有限差分方法求解, 采用具有总变差减小（totalvariation diminishing, TVD）性质的三阶龙格-库塔法进行时间积分.该格式具备间断捕捉、程序实现简单、数值稳定性强、海岸动边界以及波浪破碎处理方便和可调参数少等优点.利用典型算例对数值模型进行了验证,计算结果与实验数据吻合较好.     

NUMERICAL SIMULATION OF SHALLOW WATER WAVE PROPAGATION USING A BOUNDARY ELEMENT WAVE EQUATION MODEL

The present paper makes use of a wave equation formulation of the primitive shallow water equations to simulate one-dimensional free surface flow. A numerical formulation of the boundary element method is then developed to solve the wave continuity equation using a time-dependent fundamental solution, while an explicit finite difference scheme is used to derive velocities from the primitive momentum equation. One-dimensional free surface flows in open channels are treated and the results compared with analytical and numerical solutions. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

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     

具有精确色散性的非线性波浪数学模型

以完全非线性的自由表面边界条件为基础,以波面升高\eta和自由表面速度势\phi _\eta为待求变量,建立了新的波浪方程．方程在色散性上是完全精确的,非线性近似至三阶．与缓坡方程相比较,两者都具有精确的色散性,但该方程属于非线性模型,可模拟波浪的非线性效应,且适用于不规则波．方程的特点是属于微分-积分方程,对如何处理方程中积分项进行了讨论,并数值模拟了不同周期的线性波和二阶Stokes波,也模拟了波群的非线性演化,以对模型进行验证．      

THE DESIGN OF CHARACTERIZING-INTEGRAI SCHEMES AND THE APPLICATION TO THE SHALLOW WATER WAVE PROBLEMS

In this paper a new approach for designing upwind type schemes-the characterizing-integral method and its applied skills are introduced, The method is simple, convenient and eff ective. And the method isn't only limited to conservation laws unlike other methods and may be easily extended to multi-dimension problems. Furthermore, the numerical dissipation of the method can be flexibly regulated, so that it is especially suitable for solving various discontinuity problems. The paper shows us how to use this approach to simulate deformation and breaking of a nonlinear shallow water wave on a gentle slope, and to compute two-dimensional dam failure problem.     

A WAVE EQUATION MODEL TO SOLVE THE MULTIDIMENSIONAL TRANSPORT EQUATION

The wave equation model, originally developed to solve the advection–diffusion equation, is extended to the multidimensional transport equation in which the advection velocities vary in space and time. The size of the advection term with respect to the diffusion term is arbitrary. An operator-splitting method is adopted to solve the transport equation. The advection and diffusion equations are solved separate ly at each time step. During the advection phase the advection equation is solved using the wave equation model. Consistency of the first-order advection equation and the second-order wave equation is established. A finite element method with mass lumping is employed to calculate the three-dimensional advection of both a Gaussian cylinder and sphere in both translational and rotational flow fields. The numerical solutions are accurate in comparison with the exact solutions. The numerical results indicate that (i) the wave equation model introduces minimal numerical oscillation, (ii) mass lumping reduces the computational costs and does not significantly degrade the numerical solutions and (iii) the solution accuracy is relatively independent of the Courant number provided that a stability constraint is satisfied. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.