非线性波浪作用下岸滩演变模拟方法研究

《非线性波浪作用下岸滩演变模拟方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、非线性波浪作用下岸滩演变模拟方法研究(申请清华大学工学硕士学位论文)理论分析和算法研究培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：王睿指导教师:牛小静副教授授教授二○一五年五月ANumericalModelforSandBeachEvolutionUnderNonlinearWavesThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinHydraulicEng

2、ineeringbyWangRuiThesisSupervisor:AssociateProfessorNiuXiaojingMay,2015摘要摘要近海岸滩演变研究在海岸保护和海岸工程建设中受关注的问题。波浪是岸滩剖面演变的重要动力因子，其在近岸浅水区的强烈非线性对泥沙输移及岸滩演变具有非常显著的影响。高效准确地模拟近岸水波的特征要素和非线性特征，进而建立更为准确的岸滩剖面演变模型，也是近年来海岸泥沙研究的热点问题之一。本研究基于相平均的波浪模型，利用波高、水深、周期等波浪特征参数重构波周期内的时间过程，进而

3、将重构得到的流速过程用于非恒定泥沙运动计算，最终形成岸滩演变模型。构建的岸滩演变模型保持了基于相平均波浪模型计算的高效性，同时也较好地重现了波浪周期内非恒定流动过程对泥沙运动的影响，充分考虑了近岸波浪非线性对岸滩演变的作用，具有与相位分解模型同样的模拟能力。模型分为三个模块：近岸波高计算模块、近底面流速过程重构模块、泥沙运动和底床演变模块。近岸波高的计算基于波能守恒方程，并针对传统模型中关于强非线性波模拟存在的问题提出了修正。传统波能守恒方程在波浪具有强非线性时得到的波高存在较大的误差。特别是在模拟分析规则波时

4、，研究发现传统波能守恒波浪模型对波高的估计明显偏小。本文提出了对波浪模型进行非线性修正的办法，有效地提高了规则波的模拟精度。近底面波浪流速过程重构借鉴前人研究成果，根据所得波高水深等条件给出近底面流速过程，该方法很好的重现近岸波浪非线性引起的近底流速不对称和歪斜。泥沙运动和岸滩演变模块，选用了一个能很好反映波浪非线性影响的输沙率计算方法，并考虑了底坡对底床变形的影响。本研究构建的模型首先应用于规则波作用下的岸滩演变模拟，分别对模型各个模块进行了验证。通过与实验数据的对比，分析了波高计算中三种不同的非线性修正方法

5、，结果表明三种模型均能够提高波高的模拟精度；对比了三种不同的规则波破波模型，证明计算所采用的破碎模型具有较广泛的适用性。通过与VOF方法得到的高精度数值计算结果对比，检验了近底面流速重构方法的有效性。进一步将模型应用于大型波浪水槽中岸滩演变实验的模拟，验证了模型的可靠性。本研究通过修改模型中的破碎子模型，将其进一步推广至不规则波的情况。利用修改后的模型模拟了不规则波在斜坡地形上的传播过程及不规则波作用下斜坡演变过程。模拟结果与实验数据吻合良好。将模型与目前在近海岸滩演变中应用较广泛的Xbeach模型进行对比，可

6、以看到短波作用下的岸滩演变过程，本文提出的模型能够更好地反映水下沙坝的形成。关键词：波浪；非线性；波能守恒模型；泥沙输移；岸滩演变IAbstractAbstractTheevolutionofnearshoretopographyisamajorconcernincoastalprotectionandcoastalengineering.Waveisoneofthemostimportantdynamicfactorsincausingsuchevolution.Thestrongnonlinearityof

7、wavesinshallowwatersignificantlyaffectsthesedimenttransportand,consequently,alsothetopographyevolution.Developmentofanumericalmodelfornearshorewavemotionincludingthenonlineareffectssothatthetopographyevolutioncanbemoreaccuratelypredictedhasbeenahotissueinthe

8、studyofcoastalsedimenttransport.Thisstudyisbasedonthephase-averagedwavemodel.Theperiodicwaveprocessesarereconstructedbasedontheirrelationswiththewaveparameterssuchaswaveheightwaterdepth,waveperi