沙波地形上水流對波浪布拉格共振的影響機理研究

《沙波地形上水流對波浪布拉格共振的影響機理研究》是依託河海大學，由鄭金海擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：沙波地形上水流對波浪布拉格共振的影響機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄭金海
• 依託單位：河海大學

項目摘要

波浪、水流與沙波地形的相互作用是河口海岸動力學的前沿與熱點問題之一，由於室內實驗模擬的困難和非線性作用機制的複雜，沙波地形上水流對波浪布拉格共振的影響機制還沒有實質性的突破。本研究基於物理模型實驗和理論分析，揭示海岸反射波對波浪與沙波地形布拉格共振，特別是第III類共振的影響機制；以物理模型實驗為主，結合數值模擬，闡明亞臨界及臨界流速水流與沙波地形布拉格共振機理，明確臨界狀態共振所致表面波運動動力特性及穩定性；結合物理模型實驗和數值模擬手段，分別探討正反雙向恆定水流和波浪共存時，沙波地形激發的布拉格共振特性。研究工作可為精細模擬河口海岸水域複雜的動力環境提供理論基礎，為現代海岸防護和新型潮流能開發提供科學依據。

結題摘要

對於沙波地形上水流對波浪布拉格共振的影響機理這一河口海岸動力學問題，項目從第III類波浪布拉格共振的特性與機制、亞臨界水流與沙波地形共振激發產生逆流行進波的特性與產生機制、波浪布拉格共振主頻下移的影響特性與機制、利用波浪布拉格共振提升波能發電效率的可行性這四個針對波浪、水流與沙波地形相互作用的研究目標開展了基於水槽物理模型實驗、理論解析計算、非線性波浪數值模擬的研究。對於第III類波浪布拉格共振，課題首次在實驗層面證實了該類型共振現象，實現了其中超諧波與次諧波共振的水槽實驗重構，揭示了第III類布拉格共振激發波的波要素空間演化過程，明確了共振所滿足的波-波非線性相互作用理論；對於亞臨界水流與沙波地形共振激發逆流行進表面水波這一科學問題，在水槽實驗中實現波形的激發並細緻測量波要素隨流場變數的影響特性，明確了引發該波形的共振模式，建立了計算逆流行進波波要素時空演化特徵的解析理論與數值模擬方法，解答了亞臨界水流與沙波地形的共振機制；對於波浪布拉格共振主頻下移的現象，通過水槽實驗測量與高階譜方法數值模擬的結合明確了相對水深、沙波波陡與Ursell數對布拉格共振主頻下移量的影響特性；對於利用波浪布拉格共振提升波能發電效率的可行性，項目建立了基於振盪浮子式波浪能發電、採集與能量轉換水槽實驗平台，發現在特定的波要素範圍內，利用波浪布拉格共振效應可以顯著提高特定海域振盪浮子型波浪能採集裝置的發電效率。通過研究，項目達到揭示沙波地形上水流對波浪布拉格共振的影響機理的預期目標，為開展精細模擬河口海岸水域複雜的動力環境等方面的研究打下了基礎，為現代海岸防護和新型海洋能開發提供科學依據。相關成果獲國家科技進步二等獎和2014年度美國土木工程師協會水道港口與海岸海洋工程期刊最佳論文獎；發表論文10篇，其中SCI檢索5篇、EI檢索1篇；授權專利2項；培養博士後2名、博士生2名、碩士生5名；項目負責人在執行該項目期間獲國家傑出科學青年基金項目資助，入選教育部“長江學者獎勵計畫”特聘教授、科技部中青年科技創新領軍人才與國家“萬人計畫”領軍人才。