基于Boussinesq水波模型的聚焦波模拟

摘要

基于最高导数为3阶的单层Boussinesq方程,建立了聚焦波的时域波浪计算模型.数值模型求解采用了预报-校正的有限差分法.对于时间差分格式,预报和校正分别采用3阶Adams-Bashforth格式和4阶Adams-Moulton格式.首先,针对不同水深条件下水槽中传播的强非线性波进行模拟,并将数值结果与流函数的数值解析解进行了比较,结果表明无论是波面位移、波面处的水平速度和垂向速度均与解析解符合较好,最大波峰面的速度分布伴随水深的增加与解析解吻合程度变差,非线性速度分布的适用范围与线性解析解适应范围kh<3.5基本一致.其次,对深水聚焦波演化进行了模拟研究,研究中聚焦波的生成采用在边界点累加不同频率线性规则波的方法.应用聚焦波物理模型实验结果验证模型,计算聚焦位置处的波面位移和沿水深的速度分布与实验结果的对比表明,波面位移吻合程度较好,垂向的水平速度分布基本吻合.最后,保持中心频率(周期)不变,数值模拟了周期范围变化下最大聚焦波峰面以及波峰面水平速度的变化趋势,结果表明波峰面值和波峰面水平速度随着周期范围缩小而增大.