缓坡地形拍岸浪数值模拟研究.pdf

《缓坡地形拍岸浪数值模拟研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第３３卷第２期海洋科学进展Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２２０１５年４月ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＭＡＲＩＮＥＳＣＩＥＮＣＥＡｐｒｉｌ，２０１５缓坡地形拍岸浪数值模拟研究*１１，２３１４５李训强，杨家轩，朱首贤，于利军，张亚行，钟凯（１．解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京２１１１０１；２．海军工程大学振动与噪声研究所，湖北武汉４３００３３；３．河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京２１００９８；４．中国人民解放军９５１３７部队，广东广州５１１４３０；５．中国人民解放军７３１５９部队，福建泉州３６２１００）摘要：采用基于完全非线性Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ

2、方程建立的精细化海浪数值模型———Ｆｕｎｗａｖｅ‐ＴＶＤ模式及水槽实验数据进行拍岸浪数值模拟研究，并对不同入射情况拍岸浪进行数值模拟得出：拍岸浪缓坡传播过程中，均符合波高先增大直至破碎后迅速减小这一现象；在典型坡度１．９１°（１∶３０）情况下，进行了大量数值模拟，当仅入射波高增大时，破碎波高增大，破碎位置向深水区移动；当仅入射周期增大时，除上述特征外，当周期增大到一定程度时，这种趋势显著减弱；同时，当入射周期和波高较大时，非线性效应增强，模拟结果出现不稳定。下一步将利用实验与数值模拟相结合的优势，对前人拍岸浪预报方法和理论进行深入分析

3、研究，为实现拍岸浪精细化预报提供优化解决方案。关键词：Ｆｕｎｗａｖｅ‐ＴＶＤ；拍岸浪；数值模拟；波浪破碎；破碎指标中图分类号：Ｐ７３１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１‐６６４７（２０１５）０１‐０１５５‐０９海浪由深水区域向浅水区域或岸边传播过程中，由于水深变浅受海底强烈摩擦的影响，使波形和波速发生显著变化，波浪破碎拍击海岸形成拍岸浪。拍岸浪区是近岸海浪作用与人类活动联系最密切的区域，是人类活动频繁的区域，此处水域的环境状况与人类有密切的关系，而近岸的海浪则是构成近岸水域环境状态的重要方面，因此对于石油平台、海港建设、海岸防护和近岸航

4、运等，拍岸浪的分析和研究非常重要。近岸海域是拍岸浪作用最主要的区域，近岸海域的环境直接影响到沿海经济的开发与建设，海滩浴场、码头海港等周围海域环境建设防护都离不开拍岸浪研究。同时，拍岸浪区也是各种水动力因素最复杂的地区之一，由于拍［１］岸浪具有强大的动力并与海岸直接接触，所以是海岸演变与侵蚀研究的一个重要方面。在极端条件下，拍岸浪的危害极强，观察、预测拍岸浪对防灾减灾具有指导意义。拍岸浪过程是一个在复杂地形和复杂边界上的波浪传播过程，对于复杂的波浪传播变形的研究方法主［２］［３‐４］要包括现场观测、物理实验、数值模拟。然而伴随着计算机

5、软件、计算机技术以及计算方法的快速发［５‐６］展，利用数值模型来模拟近岸波浪的传播变形变得简单有效，已逐渐变成近岸波浪研究的主要手段。近年来，国内外学者在波浪数值模型的研究和应用上取得了很大的进展，通过建立波浪运动的数值模［７］型，求解了波浪在不同地形上传播变形、越波、增（减）水和破碎等问题。这些模型主要可划分为３种，即：缓坡方程模型；Ｎａｖｉｅｒ‐Ｓｔｏｋｅｓ方程（简称Ｎ‐Ｓ方程）模型；Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程模型。缓坡方程克服了以往分别考虑折射和绕射方法的缺点，在海岸工程中已得到广泛的应用。然而由于缓坡方程是一个椭圆型偏微分方程，

6、必须给出所有的边界条件，问题才可以求解。另外，对于椭圆型方程，域中任意一点的解都受到整个区域的影响。因此在离散求解时，要同时求解一个很大的方程组，直接用于解决实际问题难度太大；Ｎ‐Ｓ方程从动量守恒定律出发，可以描述全水深、任意坡度的线性和非线性的波浪传播变形，而且可计算速度的垂向分布，但是将Ｎ‐Ｓ方程应用于实际还有很多工作要做；Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程考虑了波*收稿日期：２０１３‐１２‐０６资助项目：国家自然科学基金———引入波浪漫滩边界的近岸海域悬沙输运数值模式及其应用（４１０７６０４８）和长江冲淡水扩展区域低盐水团动力机制（４０９

7、０６０４４）；中央高校基本科研业务费项目———流和温盐垂向异构坐标的新型海洋模式研制及其应用（２０１１Ｂ０５７１４）作者简介：李训强（１９６２‐），男，江苏睢宁人，副教授，硕士研究生导师，主要从事海洋动力学与数值模拟方面研究．Ｅ‐ｍａｉｌ：ｌｉｘｕｎｑｉａｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ（张骞编辑）１５６海洋科学进展３３卷浪的非线性及色散性特征，运动保持质量和动量守恒，因此能较好地模拟波浪传播过程中多种因素的相互作用，其适用性广泛，同时计算精度高。随着计算方法的逐渐成熟，Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程已得到越来越广泛的应用与发展，特别是在拓展和改进模

8、型的非线性及频散特征方面取得了较大的进步。［８］基于Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程在近岸区域实际应用的优势，美国特拉华大学建立了Ｆｕｎｗａｖｅ数值模式。本文以水槽实验数据为检验资料，利用该模式最新版Ｆｕｎｗａｖｅ‐ＴＶＤ模拟拍