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复合坡度珊瑚礁地形上波浪破碎的试验研究

水科学进展 2018年第5期29卷 717-727页

作者：诸裕良宗刘俊赵红军严士常虞琦河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京210098

通过波浪水槽试验,研究了珊瑚礁地形上规则波的破碎特征,包括破碎类型、破碎波高、破碎位置以及破碎带宽度。试验在带礁缘的复合坡度断面下进行,测试了两种水位下系列波高和波周期相组合的工况。试验研究了波浪破碎类型的区分标准,评估... 详细信息

通过波浪水槽试验,研究了珊瑚礁地形上规则波的破碎特征,包括破碎类型、破碎波高、破碎位置以及破碎带宽度。试验在带礁缘的复合坡度断面下进行,测试了两种水位下系列波高和波周期相组合的工况。试验研究了波浪破碎类型的区分标准,评估了已有四类破碎指标在复合坡度珊瑚礁地形上的适用性,并给出了描述破碎位置和破碎带宽度的经验公式。结果表明:礁边水深深水波高比可较好地区分波浪的破碎类型;四类破碎指标关系式中以破碎波高深水波高比之于深水波陡的相关性为最优;深水波高和礁边水深是影响破碎位置和破碎带宽度的主要因素,随着深水波高礁边水深比的增大,量纲一破碎位置(破碎点与礁边的距离和礁边处浅水波长的比值)逐渐减小,量纲一破碎带宽度(破碎带宽度和礁边浅水波长的比值)逐渐增大。

关键词：珊瑚礁波浪破碎破碎指标破碎位置破碎带宽度

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波浪破碎下湍流混合的实验研究

海洋与湖沼 2021年第3期52卷 551-561页

作者：牟海迪刘云龙袁媛鞠莲刘娟孟静陈旭中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室青岛266003 国家海洋局北海环境监测中心青岛266033 北京应用气象研究所北京100029 中国海洋大学海洋与大气学院青岛266100

波浪破碎过程产生的湍流动量和能量垂向输运对于加快海洋上混合层中垂向混合具有显著效果。采用二维实验室水槽中对波浪破碎过程进行模拟。对采集的波浪振幅时间序列采用希尔伯特变换定位破碎波位置,波浪的破碎率随有效波高的增加而增大... 详细信息

波浪破碎过程产生的湍流动量和能量垂向输运对于加快海洋上混合层中垂向混合具有显著效果。采用二维实验室水槽中对波浪破碎过程进行模拟。对采集的波浪振幅时间序列采用希尔伯特变换定位破碎波位置,波浪的破碎率随有效波高的增加而增大,波浪谱分析得到的波浪基本周期与有效周期结果相似。实验中采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)计算波浪破碎过程中湍动能耗散率的空间分布。湍流强度与波浪的相位密切相关,波峰位置处湍流活动最为剧烈,而且波峰位置处湍流混合区内湍动能耗散率量值的垂向分布基本保持不变,即出现“湍流饱和”现象,湍流影响深度可以达到波高的70%—90%。计算湍流扩散系数的垂向分布发现,湍流扩散在混合区上部随深度的增大以指数函数的形式增加,在混合区下部趋于稳定。作为对比,在相同位置处对声学多普勒流速测量仪(acoustic Doppler velocimeter,ADV)测量的单点流速做频谱分析,发现与该位置处PIV湍动能耗散率结果量级处于同一水平,进一步验证了实验结果的准确性。

关键词：波浪破碎湍动能耗散率湍流扩散系数

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基于非静压模型的波浪破碎模拟

水科学进展 2017年第3期28卷 438-444页

作者：张景新上海交通大学水动力学教育部重点实验室上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系上海200240

波浪破碎是海岸工程所关注的关键水动力学问题之一,而波浪破碎的数值模拟技术的研究方兴未艾。高效的浅水方程基于静压假定,而通过引入动压项建立的完全非静压模型,可成功应用于色散水波的模拟。自由表面的捕捉采用的垂向坐标变换技术,... 详细信息

波浪破碎是海岸工程所关注的关键水动力学问题之一,而波浪破碎的数值模拟技术的研究方兴未艾。高效的浅水方程基于静压假定,而通过引入动压项建立的完全非静压模型,可成功应用于色散水波的模拟。自由表面的捕捉采用的垂向坐标变换技术,较之VOF(Volume of Fluid)模型,计算效率较高。但垂向坐标变换不能模拟大曲率自由表面变形,即波浪破碎过程。对于破碎波的模拟,一种高效的模式分裂法应用至非静压模型,即在波浪破碎局部水域将模型分裂为静压模型和非静压模型,破碎波波峰附近退化至静压模型,并持续至波浪破碎结束再恢复为动压模型。通过典型算例,验证了模式分裂法的适用性及对于波浪破碎过程的模拟精度,鉴于模式分裂法对于波浪破碎过程的模拟未引入新的概化模型,计算效率较高,可应用于大尺度的海岸带波浪的变形、破碎及越浪的数值模拟。

关键词：浅水方程非静压模型色散水波波浪破碎

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一种改进的近岸波浪破碎数值模型

水科学进展 2005年第1期16卷 36-41页

作者：李绍武李春颖谷汉斌时钟天津大学建筑工程学院天津300072 上海交通大学船舶海洋与土木工程学院上海200030

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎。模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟。岸边界采... 详细信息

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎。模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟。岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算。用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果。紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡。

关键词：完全非线性 Boussinesq方程波浪破碎水滚 k-ε方程紊动模式

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改进的二维数值波浪水槽在波浪破碎中的应用

地球物理学报 2008年第3期51卷 727-734页

作者：何海伦宋金宝李爽中国科学院海洋研究所

Song和Banner(2002,简称SB02)利用二维数值波浪水槽(Drimer和Agnon开发,并被Segre改进,简称DAS)研究了深水及中等水深下波群破碎,并依据波群内部能量调制和演变特性提出一个新的波浪破碎阈值.本文利用两个DAS改进模型对SB02的波浪破碎... 详细信息

Song和Banner(2002,简称SB02)利用二维数值波浪水槽(Drimer和Agnon开发,并被Segre改进,简称DAS)研究了深水及中等水深下波群破碎,并依据波群内部能量调制和演变特性提出一个新的波浪破碎阈值.本文利用两个DAS改进模型对SB02的波浪破碎结果进行检验和比较,并研究底面斜坡坡度对SB02破碎判据的影响,其中第一个改进模型(简称MDAS1)修正了DAS中某些积分的计算错误,第二个改进模型(简称MDAS2)在自由表面上用三阶元取代原来的线性元.研究表明:MDAS1和DAS的结果非常一致;而MDAS2和MDAS1相比,波浪临界破碎时的造波板振幅、破碎时刻和局部能量极大值的最大平均变化率δmax都会发生变化,但MDAS2仍然符合SB02提出的破碎阈值.由MDAS1模拟中等水深下波群在坡度为1∶500、1∶300、1∶150和1∶100斜坡上的破碎结果表明:随着斜坡变陡,波群的局部能量极大值μ增大,δmax在临界非破碎情况下微弱变小,在临界破碎情况下急剧增大,SB02提出的破碎阈值在中等水深下坡度小于1∶100的斜坡上仍然有效.

关键词：数值波浪水槽边界元方法波浪破碎破碎判据

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深水波浪破碎特征影响因素的实验研究

哈尔滨工程大学学报 2016年第6期37卷 762-769页

作者：张怡辉梁书秀孙昭晨常艳玲大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

为了分析不同参数对深水波浪破碎过程中的波面特征、波谱特征及特征波参数变化的影响,在波浪水槽中,采用能量聚焦的方式生成了深水破碎波浪,沿程采集22个不同位置的浪高数据进行分析。相同的波浪破碎强度时,中心频和频宽对波浪的稳定性... 详细信息

为了分析不同参数对深水波浪破碎过程中的波面特征、波谱特征及特征波参数变化的影响,在波浪水槽中,采用能量聚焦的方式生成了深水破碎波浪,沿程采集22个不同位置的浪高数据进行分析。相同的波浪破碎强度时,中心频和频宽对波浪的稳定性影响很小,而谱型对波面最大陡度的影响比较明显,且破碎前更加显著。中心频越小,频宽越窄,谱型为PM谱时,波谱密度峰值越大,且谱包络总能量也越大。PM谱型下波浪破碎导致的波特征参数变化率最小,等振幅谱(CWA)型下次之,等波陡谱(CWS)型下的影响最为显著。

关键词：能量聚焦波浪破碎中心频率频宽谱型

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波浪破碎湍流混合研究综述

物理学报 2011年第11期60卷 786-791页

作者：张书文曹瑞雪朱风芹广东海洋大学海洋与气象学院陆架及深远海气候、资源与环境广东省高等学校重点实验室湛江524088

波浪破碎及其湍流混合研究一直是物理海洋学具有挑战性的问题.文章系统综述了自20世纪90年代以来,波浪破碎混合观测及其模式化研究方面取得的主要进展:1)波浪破碎湍流混合不能用经典的海气边界层Wall-layer相似性理论进行描述.波浪破碎... 详细信息

波浪破碎及其湍流混合研究一直是物理海洋学具有挑战性的问题.文章系统综述了自20世纪90年代以来,波浪破碎混合观测及其模式化研究方面取得的主要进展:1)波浪破碎湍流混合不能用经典的海气边界层Wall-layer相似性理论进行描述.波浪破碎能够在近海面几米的深度范围内形成湍流混合的增强层,所产生的湍流动能耗散率εdis是Wall-layer相似性理论预测结果的10—1000倍.2)波浪破碎湍流动能耗散率在波峰区域εdis∝z-2.3,而在波谷以下区域εdis∝exp(-αz)或εdis∝z-2.3)湍流混合长度是刻画波浪破碎混合非常重要的物理量,但迄今为止对波浪破碎湍流混合长度l的量化研究存在较大差异,l从0.1Hs到Hs(Hs为有效波高).如何确定波浪破碎湍流混合长度的定量表示是今后需要亟待解决的重要问题.

关键词：波浪破碎湍流动能耗散率湍流混合长度

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波浪破碎诱导的海-气无机盐通量的参数化

中国海洋大学学报（自然科学版） 2012年第7期42卷 26-32页

作者：冯玉铭管长龙黄健中国海洋大学物理海洋实验室山东青岛266100 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东广州510080

波浪破碎诱导生成的海盐粒子是海洋向大气输运无机盐的主要机制,海气界面的无机盐通量对于全球气候变化有重要影响。本文开展了实验室实验模拟海盐粒子生成实验,定量考察了温度和盐度对海盐粒子中离子质量分布的影响,揭示了初生海盐粒... 详细信息

波浪破碎诱导生成的海盐粒子是海洋向大气输运无机盐的主要机制,海气界面的无机盐通量对于全球气候变化有重要影响。本文开展了实验室实验模拟海盐粒子生成实验,定量考察了温度和盐度对海盐粒子中离子质量分布的影响,揭示了初生海盐粒子中各离子的富集和亏损现象与温度和盐度的关系。基于实验室观测分析结果和推测假定,提出了1个既包含海面风速、又反映海表温度和海表盐度影响的海-气无机盐通量参数化方案。将此参数化方案应用于估计海盐粒子向大气输运的各种无机盐离子质量通量,并与传统方法估算结果进行了比对分析。

关键词：海气交换波浪破碎海盐粒子盐通量海盐粒子生成函数

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波浪破碎卷入气泡的泡径分布理论模型

中国科学（D辑） 2007年第9期37卷 1273-1279页

作者：韩磊袁业立中国海洋大学海洋环境学院青岛266003 国家海洋局第一海洋研究所海洋环境科学与数值模拟重点实验室青岛266061

借助相似性定理推导出波浪破碎形成的气泡总数与气体体积卷入率、湍流能谱密度以及表面张力之间的关系,得出泡径谱的指数为-2.5+nd,其中nd取决于湍流能谱在黏性耗散区的分布.利用引入的两个破碎统计量,进一步导出了破碎过程中的气体体... 详细信息

借助相似性定理推导出波浪破碎形成的气泡总数与气体体积卷入率、湍流能谱密度以及表面张力之间的关系,得出泡径谱的指数为-2.5+nd,其中nd取决于湍流能谱在黏性耗散区的分布.利用引入的两个破碎统计量,进一步导出了破碎过程中的气体体积卷入率Q的表达式,建立了泡径谱与波浪要素的联系.在此基础上,利用观测结果提出两点假设,并据此将泡径谱N(a)推广为随泡径和深度的分布函数N(a,z).

关键词：波浪破碎气泡云泡径分布理论模型海洋