全水域邊緣波動力特性理論解及其數值模擬研究

《全水域邊緣波動力特性理論解及其數值模擬研究》是依託河海大學，由馮衛兵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：全水域邊緣波動力特性理論解及其數值模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馮衛兵
• 依託單位：河海大學

項目摘要

邊緣波是一種沿平直岸線傳播、其波峰線垂直岸線、振幅一般向海衰減的鎖閉型波浪。邊緣波對近岸水動力和地貌動力作用顯著，影響水域水位、波能、環流系統與岸灘演變。邊緣波研究一直是海岸和地貌動力學的一個熱門課題，具有重要學術與套用價值。目前，基於線性淺水方程及其改進的Boussinesq長波方程、線性緩坡方程的邊緣波數學模型與數值模擬或由於較為簡化（特徵值個數少），或由於計算極為複雜，有待進一步發展完善。邊界條件的確定方法、底摩阻耗散影響等也有待探討。課題擬提出均勻斜坡上邊緣波波系線性與二階非線性解析解系統理論及數值解法，計算分析不同底坡、不同波型、不同模態邊緣波水動力的變化特性，建立相應邊緣波隨機模型，探討其一階、二階譜及其參數變化規律，進行全水非線性邊緣波數值模擬，開展均勻斜坡與折坡水域波浪三維物模試驗研究，對理論計算與數值模擬予以驗證。基於此，以期為海岸帶開發利用及工程規劃設計提供科學依據。

結題摘要

作為一種沿平直岸線傳播、振幅向海衰減的鎖閉型波浪，邊緣波對近岸水動力條件和地貌塑造有顯著的作用，會影響近岸區域水位、波能、環流系統與岸灘演變，其研究具有重要學術與套用價值。本項目提出了全水域邊緣波系的運動學動力學特徵線性與二階非線性的解析解並推廣於不規則波，建立了邊緣波波譜模式。基於所建立的理論模型，對邊緣波運動學動力學特徵要素進行了系統的計算分析，探討其隨邊緣波波態、模態及波參數的變化特性，討論了不同坡角，不同模態及不同波態的二階解析解近似適用範圍。在數值模式方面，對於均勻斜坡上的邊緣波，基於完全頻散性非線性統一模型建立了數值模式，對於折坡地形上的邊緣波，採用幾何光學方法確定了頻散關係，並用追趕法進行了穩定快速的數值計算，驗證了模擬結果與理論值吻合良好。對於全水域邊緣波的物理模型試驗，本項目主要在兩類地形上進行了試驗。對於第一類地形，採用文獻中的方法在波浪正向入射的地形上進行了驗證性試驗，並增加了對波面的觀測，將邊緣立波的沿岸波長與理論進行了比較。試驗結果與理論及文獻中的描述基本相符，在兩塊直牆之間的區域內觀察到了穩定存在的邊緣立波和伴隨出現的裂流現象，裂流位置亦與理論預測相符。第二類地形採用波浪橫向入射產生邊緣波，用這種方法對推進型邊緣波和邊緣立波的特性進行了研究。在物模試驗結果的基礎上對邊緣波的模態分離方法進行了初步探討，採用最小二乘法實測波形進行了模態分離，得到了較為合理的結果。本項目在全水域邊緣波理論模型、數值模擬及物理模型試驗方面取得的成果可以為海岸帶開發利用及工程規劃設計提供一定的科學依據。