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多向聚集极限波浪的模拟研究

作　者: 李金宣
导　师: 柳淑学
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 极限波浪聚焦波浪破碎波浪高阶谱方法
分类号: U652.3
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

极限波浪是波浪的一种极限情况，它会对海上船只和结构物产生极强的破坏力，目前受到了普遍的重视，大量的研究结果表明，波能聚焦是产生极限波浪的重要机理之一。因此，本文通过物理模拟和数值模拟两种方法对由波能聚焦产生的极限波浪及其破碎波进行了研究。本文首先给出了聚焦极限波浪的产生方法，即波能聚焦法。并且通过线性理论分析了聚焦波浪的影响因素，得出影响聚焦波浪特征的主要参数应包括：聚焦波高、中心频率、频率宽度、频谱类型、方向分布宽度及水深等。同时，采用波能聚焦的方法在三维水池中成功地产生了极限波浪和破碎波浪，通过物模实验对多向聚焦极限波浪的特性进行了研究。实验考虑了不同聚焦波高、频谱类型、水深对极限波浪和破碎波浪的影响，较系统地分析了波浪聚焦和破碎过程中的波面特性、破碎指标、频谱变化及能量损失等问题。研究结果表明了聚焦波高、频谱类型、水深以及方向分布都将影响到波浪的聚焦及破碎，其中波高越大、水深越浅波浪越容易破碎，在相同水深的情况下，等波幅分布的波浪较等波陡分布的波浪更容易破碎。同时对几种常用的破碎指标进行了分析研究。除了物理模拟实验，本文还采用了数值模拟的方法，对聚焦波浪进行了分析研究。首先，建立了能够模拟完全非线性波浪的数值模型，考虑到计算三维水波问题需很大的计算量，所以采用了高阶谱方法，在这种方法中采用快速傅立叶变换求解偏微分方程，具有较高的计算效率和精度。但是这种方法要求计算域具有周期性，为了能够模拟波浪的产生，在谱方法的基础上，引入造波边界，建立了完整的数值模拟水池。并采用典型的算例对模型进行了验证。同时利用所建立的数值模型对二维和三维聚焦极限波浪进行了系统的模拟分析。考虑了聚焦波浪的各种影响因素，研究了聚焦波面，最大波峰值、聚焦点的偏移、波面的几何参数，聚焦过程中的频谱变化及聚焦波浪的水动力特性。研究结果表明假定聚焦波高的大小、频率宽度、中心频率、方向分布和水深等对波浪的聚焦特性有较大影响，研究成果对聚焦波浪的应用具有重要的参考价值。最后，对高阶谱方法做了进一步的扩展，建立了能够模拟波浪在规则地形上传播的数学模型，通过与实验结果比较，两者吻合较好，说明建立的模型是有效的。本文通过物理实验模拟和数值模拟两种方法，研究了聚焦极限波浪，对其特性有了一定的了解，对今后进一步研究聚焦波浪对结构物的作用打下了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 聚焦波浪的产生方法  11-12
    1.2.2 聚焦极限波浪特性的研究  12-13
    1.2.3 聚焦破碎波浪的研究  13-16
    1.2.4 对聚焦波浪的数值模拟  16-17
  1.3 本文的主要工作  17-18
2 聚焦波的产生方法及其影响参数  18-27
  2.1 引言  18
  2.2 聚焦波产生方法(相速度法)  18-19
  2.3 聚焦波的影响参数  19-26
    2.3.1 频谱类型  19-22
    2.3.2 频谱宽度和中心频率的影响  22-25
    2.3.3 方向分布宽度的影响  25-26
  2.4 小结  26-27
3 多向极限破碎波的实验研究  27-65
  3.1 引言  27-28
  3.2 实验室中三维极限破碎波产生方法  28-29
  3.3 实验布置和实验条件  29-34
    3.3.1 实验布置  29
    3.3.2 实验条件  29-33
    3.3.3 实验数据的检验  33-34
  3.4 实验结果分析  34-64
    3.4.1 波面时间过程线  34-38
    3.4.2 波峰最大值  38-41
    3.4.3 破碎指标  41-56
    3.4.4 频谱的变化  56-62
    3.4.5 破碎能量损失  62-64
  3.5 小结  64-65
4 高阶谱法数值模型  65-79
  4.1 引言  65
  4.2 高阶谱方法  65-70
    4.2.1 控制方程及边界条件  65-66
    4.2.2 周期性边界条件  66
    4.2.3 高阶谱求解方法  66-69
    4.2.4 计算过程  69
    4.2.5 误差分析  69-70
  4.3 数值计算模型的检验  70-78
  4.4 小结  78-79
5 非周期性边界条件的高阶谱方法  79-93
  5.1 引言  79
  5.2 非周期性边界条件的高阶谱方法  79-87
    5.2.1 控制方程及边界条件  79-80
    5.2.2 数值求解方法  80-81
    5.2.3 造波边界条件  81-85
    5.2.4 波浪的产生  85-86
    5.2.5 吸收边界处理  86
    5.2.6 计算过程  86-87
  5.3 方法的验证  87-92
    5.3.1 吸收边界的验证  87-88
    5.3.2 二维二阶Stokes波  88-90
    5.3.3 与二维聚焦波试验比较  90-91
    5.3.4 三维波浪  91-92
  5.4 小结  92-93
6 聚焦波浪特性的数值计算研究  93-123
  6.1 引言  93
  6.2 二维聚焦波浪特性的研究  93-104
    6.2.1 聚焦波波面特性  94-98
    6.2.2 聚焦波浪的最大波峰值  98-99
    6.2.3 聚焦点的偏移  99-101
    6.2.4 波浪传播过程中的频谱变化  101-102
    6.2.5 水质点水平速度变化  102-104
  6.3 三维聚焦波浪特性的研究  104-122
    6.3.1 方向分布宽度对聚焦波的影响  104-117
    6.3.2 水深对聚焦波的影响  117-122
  6.4 小结  122-123
7 高阶谱法模拟波浪在规则地形上传播  123-127
  7.1 引言  123
  7.2 控制方程  123-125
  7.3 二维Bragger反射  125-126
  7.5 小结  126-127
结论  127-129
参考文献  129-134
附录A Fourier方法求函数导数  134-135
附录B 波浪的二阶理论解  135-139
攻读博士学位期间发表学术论文情况  139-140
创新点摘要  140-141
致谢  141-142

多向聚集极限波浪的模拟研究

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