基于Boussinesq方程的海岸地区波浪数学模型研究

摘要

波浪变形预报及波浪破碎引起的近岸区流场问题一直是海岸动力学的重要课题.建立一种高精度的近岸区波浪变形预报模型以及波浪破碎模型,不但具有很高的理论意义,而且具有直接工程意义.论文在国内外大量文献的基础上,概括总结了各种类型的Boussinesq方程和基于Boussinesq方程的破碎模型,以及运用数值模型进行沿岸流计算的问题.论文首先在前人已有工作的基础上,建立了一套能够模拟近海地区波浪变形的完全非线性Boussinesq波浪模型.论文还应用所建模型讨论了均匀斜坡地形上的波浪浅水变形,并将Wei的完全非线性模式和Nwogu弱非线性模式的数值计算结果与线性波理论解和Shuto非线性波理论解进行了对比.文中重点提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的波浪破碎改进模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎.模型借助水滚(surface roller)的概念,导出了κ方程紊动模式中的产生项的计算公式,进而计算Boussinesq方程中的紊动黏滞系数,实现对破碎波的模拟.模型的岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算.所建模型经实验室实测波高和增减水资料对比,证明能够较准确的模拟近岸波浪破碎情况.论文还结合数值计算结果,讨论了破波区内波能转化为紊动能量,以及紊动能量的耗散和输移的过程,对于加深对破波区水动力特征的理解有重要意义.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1概述

1.2有关研究工作的回顾及现状评述

1.3本文的主要工作

第二章波浪变形及破碎数值模型

2.1概述

2.2基本方程的推导

2.3基本方程的求解方法

2.4源函数造波方法

2.5波浪破碎模型的理论模式

2.6紊动能量方程的求解

2.7底部摩阻

2.8 Subgrid紊动混合项

2.9数值滤波

2.10边界处理

第三章程序开发与使用说明

3.1程序结构与流程图

3.2程序的通用性改进

第四章模型验证

4.1均匀斜坡上波浪的浅水变形

4.2波浪破碎

4.3本章小结

第五章结束语

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢