基于非靜壓方程的近岸波浪變形數(shù)值模擬研究.pdf

1、基于非靜壓方程的近岸波浪變形基于非靜壓方程的近岸波浪變形數(shù)值模擬研究數(shù)值模擬研究NumericalSimulationofWaveTransfmationintheNearsheZonewithNonhydrostaticEquations一級(jí)學(xué)科：水利工程學(xué)科專業(yè)：港口、海岸及海岸工程研究生：鄒國良指導(dǎo)教師：張慶河教授天津大學(xué)建筑工程學(xué)院二零一三年六月摘要準(zhǔn)確描述近岸區(qū)波浪變形是海岸工程確定設(shè)計(jì)波浪要素的重要環(huán)節(jié)，有重要的理論和工程意

2、義。發(fā)展各種波浪數(shù)學(xué)模型，特別是基于非靜壓方程的波浪數(shù)學(xué)模型，成為國內(nèi)外近年來研究波浪變形的重要手段。本文通過改進(jìn)非靜壓波浪模型SWASH，建立了一套完整描述近岸波浪傳播變形三維數(shù)學(xué)模型，并將該模型應(yīng)用于實(shí)際工程波浪變形計(jì)算中。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：引入不同形式的源函數(shù)并結(jié)合改進(jìn)的海綿層消波方法，在非靜壓模型中實(shí)現(xiàn)了無反射域內(nèi)造波，并討論了不同形式源函數(shù)對(duì)模型穩(wěn)定性以及計(jì)算波形準(zhǔn)確性的影響。結(jié)果表明，采用分布源進(jìn)行數(shù)值造波時(shí)，模

3、型穩(wěn)定性和模擬波形準(zhǔn)確性均優(yōu)于線源。結(jié)合源函數(shù)造波方法提出了非均勻波浪邊界造波方法，并通過該方法實(shí)現(xiàn)了相位平均的大范圍波作用譜波浪模型和求解相位的小范圍非靜壓波浪模型的耦合。理想算例結(jié)果表明，耦合模型可以獲得較為準(zhǔn)確的波高、周期以及波浪譜，可以更為合理地描述波浪從大范圍區(qū)域向小范圍區(qū)域的傳播。將描述孔隙介質(zhì)中流體運(yùn)動(dòng)的DarcyFchheimer運(yùn)動(dòng)方程引入到三維非靜壓波浪模型中，實(shí)現(xiàn)了波浪與孔隙結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模擬。波浪與孔隙結(jié)構(gòu)相

4、互作用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，所建模型可合理地反映孔隙防波堤周圍波浪的部分反射、波浪透射以及波浪繞射等復(fù)雜的綜合波浪變形過程。采用破碎波波前靜壓假定并引入波浪破碎模型以減少非靜壓模型模擬破碎時(shí)垂向所需要的網(wǎng)格數(shù)，進(jìn)一步完善了非靜壓模型在近岸淺水區(qū)破碎情況的模擬。數(shù)值算例與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，所建模型在垂向劃分較少網(wǎng)格時(shí)仍可較好地描述波浪在近岸淺水區(qū)發(fā)生的破碎。將建立的非靜壓模型應(yīng)用于實(shí)際工程港內(nèi)泊穩(wěn)條件波浪計(jì)算中。波浪數(shù)值模擬與物理