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本文通过理论计算及试验研究等手段,就波浪的传播、变形及破碎问题进行了研究。
运用势流理论及求解Laplace方程的方法,建立了适用于平缓海岸上光滑底边界条件下的波浪传播与变形计算的数学模型。该模型中在计算波面和自由面处速度势的时间步进过程时,采用二阶Taylor展开式,并假定节点横坐标不变,只有纵坐标和时间2个变量,从而使自由面与速度势的追踪计算比较简便。计算结果与模型试验结果作了对比。
将底部边界对波能损耗的因素考虑进来。将流场分为上、下两层,上层为理想流体,满足Laplace方程;下层为粘性流体边界层,满足N-S方程。由此得到了包含底摩阻系数的底部边界条件,将波能的底部摩擦损耗与边界元法结合起来,用于计算考虑底摩阻损耗的波浪在近岸浅水区域的传播与衰减问题。通过对比分析验证了该底边界条件的有效性。
根据平缓岸坡上波浪破碎的模型实验结果,通过波形不对称性分析,得到了波形不对称参数与相对水深(d/L<,0>)的关系,并进一步得到了以波形不对称性参数表示的波浪破碎指标。这一破碎指标与相对水深有关系,水深越浅,指标值越大;水深越大,指标值越小,但趋于一个固定值。对于规则波,当相对水深达0.5以上时,其指标值大致上与Kjeldsen的结果一致,为3.5;对于不规则波,其指标值为3.0。
对海洋工程深海实验水池弧形消波滩的反射系数作了计算。运用三种方法,包括2个经验公式和我国《规范》方法进行计算,并作了对比分析。计算结果表明,对于波陡比较大的波浪,反射系数一般都在0.05以下;而对于波陡比较小的长波,反射系数一般在0.06以上。
在FLUENT软件的基础上作了二次开发,对波浪在弧形消波滩上爬高、破碎及进入落水槽的过程进行了数值模拟,并就有、无落水槽两种情况下,消波滩前的反射波干扰情况作了对比,以验证落水槽的消波效果。该方法适用于各种波高、周期条件下的波浪,克服了经验公式及规范方法在有水体进入落水槽时无法计算的弱点。数值结果表明,落水槽装置对减小大波、长波的反射具有良好效果。