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波流混合作用的完全非线性数值模拟

陈丽芬  
【摘要】:波流相互作用是一种十分普遍的自然现象,流能使波浪变形,并改变波浪谱,影响设计波参数的确定;对于确定的设计波流参数,波流之间的非线性相互作用改变了波流场。潜堤是一种修建在近岸区域的,常用的护岸建筑物,可以防止岸滩侵蚀,而近海海域存在沿岸流。故本文应用完全非线性时域理论,建立波流相互作用的完全非线性数值水槽模型,并对均匀水流情况下完全非线性单色波及双色波群在潜堤地形上的传播变形进行了数值模拟。应用开发的数值模型记录淹没潜体后某两点处的波面时间历程,提出分离淹没潜体后高阶谐波的两点法。 本文所建立的数值水槽模型以Laplace方程为基本控制方程,自由表面满足完全非线性自由水面条件。在时域计算中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,利用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势。在整个计算域内应用镜像格林函数以减少计算量。本文通过在自由表面运动学和动力学边界条件同时加入阻尼项的形式在入射边界和出流边界前分别布置了阻尼层,使得整个数值模型能够在有限域内进行长时间的模拟。为了验证数值模型的准确性,在大连理工大学港口海岸及近海工程国家重点实验的波流水槽(长×宽×高:69m×3m×1.8m)中开展了物理实验,记录并观察了波流同向、纯浪、波流反向情况下,波浪在常水深、潜堤地形上的传播变形过程。潜堤断面型式包括前斜坡潜堤、直立潜堤和后斜坡潜堤三种。 通过与已发表的数值结果,实验结果以及本文实验结果的对比可知,本文数值模型可以准确模拟单色波和双色波群在波流同向、纯浪、波流反向情况下,在常水深、潜堤地形上的传播变形过程,重点研究了流的存在及潜堤的断面型式对波浪非线性、高阶谐波以及反射系数等的影响。利用本文数值水槽模型模拟记录潜堤、淹没矩形潜体后两点处的波面时间历程,利用傅里叶变换及三角函数的正交性,对堤后、淹没矩形潜体后某点处的波面时间历程进行分离,得到各倍频自由波和锁定波的幅值、相位角,重点研究了不同入射波参数、静水深、潜体坡脚等对潜体后各倍频自由波的影响。


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