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基于funwave-tvd波浪模型的黄河三角洲近岸波浪变形与破碎过程数值模拟

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基于FUNWAVE-TVD波浪模型的黄河三角洲近岸波浪变形与破碎过程数...

作者： NGUYEN TRONG QUAN 中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)

学位级别：硕士

近岸海洋包括河口、浅海区和陆架,对于沿海地区的生活安定、经济活动、交通和居住功能至关重要。然而,海岸带环境正面临着气候变化和人类活动带来的巨大压力,导致海岸线侵蚀、潮汐淹水、海岸线形态变化等风险。因此,对沿海系统行为的全... 详细信息

近岸海洋包括河口、浅海区和陆架,对于沿海地区的生活安定、经济活动、交通和居住功能至关重要。然而,海岸带环境正面临着气候变化和人类活动带来的巨大压力,导致海岸线侵蚀、潮汐淹水、海岸线形态变化等风险。因此,对沿海系统行为的全面研究为政府确保沿海地区的价值提供支撑起到重要作用。此外,沿海地区的水动力数值模拟已被证明可以有效地模拟复杂的物理过程,例如冲浪区的波浪破碎、冲流带波浪的升降。本研究采用数值模拟方法来分析近岸流体动力学,特别关注波浪破碎过程。本研究旨在加深黄河三角洲近岸波浪破碎过程的基本机制以及主要因素对波浪模拟性能的影响方面的理解。这些研究结果为实际应用中选择合适的数值模型提供了指导,并有助于近岸区域水动力的综合评价。研究区黄河三角洲位于渤海湾和莱州湾之间,近年来因其沿岸的风险和灾害而受到广泛关注。然而,对该地区近岸水动力和波流相互作用的数值模拟研究十分有限。本研究为校准和验证数值波浪模型提供了案例研究框架,重点关注初始边界条件和模型参数化。所提出的程序有望在今后应用于类似三角洲地区波浪破碎过程的研究。本文研究了所选数值模式(funwave-tvd)的重要模型参数(如计算网格大小和波浪破碎准则)和物理参数(如能量谱和波相干度),以了解它们对黄河三角洲近岸地区波浪特征和波浪破碎过程非均匀性的贡献。funwave-tvd是一种相位解析Boussinesq波浪模型,用于模拟具有理想相干效应的波浪。水深和地形数据来自中国海图和欧盟哥白尼海洋服务信息。在模型配置完成之后,研究了不同程度的波浪相干性和能量谱离散化的统计数据(例如,均方根和有效波高、最大跨岸流速和最大涡度)在该区域内的空间分布情况。因此,利用经过校准和验证参数后的数值模型,研究了黄河三角洲近岸的波浪破碎情况。本研究获得的结果表明,波浪统计数据的空间分布的复杂性及近岸变化的大小与波浪的相干性程度成正比。相干性较高的波浪在近岸方向表现出更复杂的变化性和更强的波动性。通过比较有无相干性影响的模拟结果,可以看出黄河三角洲地区地形变化对波高的影响。当波浪向破碎带移动时,跨岸流速下降,而涡度增加,表明剪切波的幅度较大。当波浪到达浅水区和海岸线时,可以观察到破碎特征。因此,模拟波在到达水深小于5米(2米)时分散了60%以上(80%)的能量,当在海岸线破碎时完全耗散。

关键词：波浪破碎波浪相干性黄河三角洲近岸 funwave-tvd

基于万吨级船舶阻力变化的大型人工水道断面尺度研究

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水道港口 2024年第1期45卷 43-50页

作者：林仁智陆杨诸裕良时健河海大学港口海岸与近海工程学院南京210098 南京水利科学研究院南京210024

针对国内现行规范在可通行3000 t级以上船舶的大型人工水道断面尺度设计方面的规定不足,从限制性航道航速经济性角度出发,定义大型人工水道的经济航速断面,基于数学模型研究满足万吨级船舶(总长130 m×型宽22 m×设计吃水5.5 m)通航要... 详细信息

针对国内现行规范在可通行3000 t级以上船舶的大型人工水道断面尺度设计方面的规定不足,从限制性航道航速经济性角度出发,定义大型人工水道的经济航速断面,基于数学模型研究满足万吨级船舶(总长130 m×型宽22 m×设计吃水5.5 m)通航要求的经济航速断面尺度推荐参数区间。具体包括:基于完全非线性Boussinesq方程的开源程序包funwave-tvd建立了限制性航道中船行波传播变形及阻力变化数学模型,模拟研究了不同边坡比、航道底宽条件下船舶阻力变化规律,重点分析了航道底宽、边坡比对航行阻力的影响。研究结果表明:在大型人工水道设计时,对于梯形断面,经济航速断面设计时,坡比采用1:3较优,水深8 m时底宽取90 m,断面系数为7.54较优;水深9 m时,底宽取70 m,断面系数为7.21较优。

关键词：限制性航道万吨级船舶船舶阻力经济航速断面 funwave-tvd

Study on Influences of Fringing Reef on Harbor Oscillations Triggered by N-Waves

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China Ocean Engineering 2021年第3期35卷 398-409页

作者： GAO Jun-liang CHEN Hong-zhou MA Xiao-zhou DONG Guo-hai ZANG Jun LIU Qian School of Naval Architecture and Ocean Engineering Jiangsu University of Science and TechnologyZhenjiang 212100China School of Civil Engineering and Architecture Northeast Electric Power UniversityJilin 132012China The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering Dalian University of TechnologyDalian 116024China Centre for Infrastructure Geotechnical and Water Engineering(IGWE)Department of Architecture and Civil EngineeringUniversity of BathBA27AYUK

Influences of topographic variations of the offshore fringing reef on the harbor oscillations excited by incident Nwaves with different amplitudes and waveform types are studied for the first *** the propagation of the Nwaves over the reef and the subsequently-induced harbor oscillations are simulated by a Boussinesq-type numerical model,*** present study concentrates on revealing the influences of the plane reef-face slope,the reef-face profile shape and the lagoon width on the maximum runup,the wave energy distribution and the total wave energy within the *** shows that both the wave energy distribution uniformity and the total wave energy gradually increase with decreasing reef-face *** profile shape of the reef face suffering leading-elevation Nwaves(LEN waves)has a negligible impact on the wave energy distribution uniformity,while for leading-depression N-waves(LDN waves),the latter gradually decreases with the mean water depth over the reef *** total wave energy always first increases and then decreases with the mean water depth over the reef *** general,the total wave energy first sharply decreases and then slightly increases with the lagoon width,regardless of the reef-face width and the incident waveform *** maximum runup subjected to the LEN waves decreases monotonously with the lagoon ***,for the LDN waves,its changing trend with the lagoon width relies on the incident wave amplitude.

关键词： harbor oscillations fringing-reef topography N-waves numerical simulations funwave-tvd

Wave prediction in a port using a fully nonlinear Boussinesq wave model

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Acta Oceanologica Sinica 2019年第7期38卷 36-47页

作者： Young-Kwang Choi Seung-Nam Seo Jin-Yong Choi Fengyan Shi Kwang-Soon Park Civil and Architectural Engineering Department KEPCO Engineering and ConstructionGimcheon-si 39660Republic of Korea Task Force for Construction of RV ISABU Support Facility Korea Institute of Ocean Science and TechnologyBusan Metropolitan City 49111Republic of Korea Operational Oceanography Research Center Korea Institute of Ocean Science and TechnologyBusan Metropolitan City 49111Republic of Korea Center for Applied Coastal Research University of DelawareNewark DE 19716USA

A wave forecasting system using funwave-tvd which is based on the fully nonlinear Boussinesq equations by Chen(2006)was developed to provide an accurate wave prediction in the Port of Busan,South *** system is linked to the Korea Operational Oceanographic System(KOOS)developed by Park et al.(2015).The computational domain covers a region of 9.6 km×7.0 km with a grid size of 2 m in both directions,which is sufficient to resolve short waves and dominant sea *** total number of grid points exceeds 16 millions,making the model computational *** provide real-time forecasting,an interpolation method,which is based on pre-calculated results of funwave-tvd and SWAN forecasting results at the funwave-tvd offshore boundary,was used.A total of 45 cases were pre-calculated,which took 71 days on 924 computational cores of a Linux cluster *** wave generation and propagation from the deep water were computed using the SWAN in *** results provided a boundary condition for the funwave-tvd forecasting *** verify the model,wave observations were conducted at three locations inside the port in a time period of more than 7 months.A model/model comparison between funwave-tvd and SWAN was also carried *** is found that,funwave-tvd improves the forecasting results significantly compared to SWAN which underestimates wave heights in sheltered areas due to incorrect physical mechanism of wave diffraction,as well as large wave heights caused by wave reflections inside the port.

关键词： real-time wave forecasting funwave-tvd SWAN KOOS wave observations wave diffraction

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港内地形对N波诱发的港湾共振影响研究

哈尔滨工程大学学报 2021年第3期42卷 346-352,446页

作者：宋向荣周校军高俊亮王岗江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003 江苏科技大学江苏省船舶先进设计制造技术重点实验室江苏镇江212003 河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京210098

针对目前对由N波诱发的瞬变港湾共振现象的研究还极为有限,本文研究了港内折线型地形对N波诱发的瞬变港湾共振的影响。瞬变共振采用一组完全非线性Boussinesq模型-funwave-tvd-来进行模拟。使用正交模态分解法分离得到了由N波诱发的狭... 详细信息

针对目前对由N波诱发的瞬变港湾共振现象的研究还极为有限,本文研究了港内折线型地形对N波诱发的瞬变港湾共振的影响。瞬变共振采用一组完全非线性Boussinesq模型-funwave-tvd-来进行模拟。使用正交模态分解法分离得到了由N波诱发的狭长型矩形港内各共振模态的响应幅值,并进而系统地研究了不同入射N波波幅和不同港内折线型地形对港内最大爬高和总波能的影响。研究表明:发现对于本文所研究的地形及入射N波波幅变化范围(0.01 m≤A0≤0.07 m),港内最大爬高随着入射N波波幅的增加而增加,随着港内平均水深的增大而减小,而折点的存在会略微降低最大爬高。总体而言,港内总波能随着平均水深的增加而呈线性增加。

关键词：港湾共振 N波正交模态分解法最大爬高波能分布 funwave-tvd 地形波幅

通航隧道内船行波传播特性及对船舶连续通航安全影响

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科学通报 2021年第9期66卷 1101-1112页

作者：邓斌王孟飞蒋昌波伍志元长沙理工大学水利工程学院长沙410114 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室长沙410114 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室长沙410114

为填补通航隧道船舶通航安全关键技术研究的空白,基于完全非线性Boussinesq方程的开源程序包funwavetvd建立了直线运河中通航隧道内船行波运动的数值模型,重点分析了船舶在通航隧道中诱导生成的船首孤立波波高以及波速的时空分布规律,... 详细信息

为填补通航隧道船舶通航安全关键技术研究的空白,基于完全非线性Boussinesq方程的开源程序包funwavetvd建立了直线运河中通航隧道内船行波运动的数值模型,重点分析了船舶在通航隧道中诱导生成的船首孤立波波高以及波速的时空分布规律,并讨论了船行波对船舶连续通航的安全影响.研究得到了最大船首孤立波波高ηmax与船舶吃水P、Fr、通航隧道的水深、宽度以及船型的多元非线性回归方程;基于孤立波波面方程的理论假设,对通航隧道内船首孤立波的波速进行分析,发现船首孤立波的前波面与孤立波波面方程吻合较好,以孤立波的理论波速作为船首孤立波的传播速度,给出了通航隧道内船舶连续通航时安全航距应满足的关系式.结果表明,该模型能较好地捕捉船行波在通航隧道中的传播演变过程.研究结果可为单线直线运河中通航隧道的设计提供参考和依据,并可为通航隧道船舶通航安全关键技术标准或规范的制定奠定理论基础.

关键词：通航隧道船行波通航安全 funwave-tvd

船行波对通航隧道断面尺寸影响的数值模拟分析

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水利水电科技进展 2022年第4期42卷 61-66页

作者：王孟飞邓斌蒋昌波陈杰长沙理工大学水利与环境工程学院湖南长沙410114 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室湖南长沙410114 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室湖南长沙410114

为探讨船行波对通航隧道断面尺寸的影响,基于完全非线性Boussinesq方程的开源程序包funwave-tvd建立了通航隧道内船行波传播的数值模型,重点分析了通航隧道内最大船行波波高及横向流速的时空分布规律,探讨了船舶吃水深度、弗劳德数、通... 详细信息

为探讨船行波对通航隧道断面尺寸的影响,基于完全非线性Boussinesq方程的开源程序包funwave-tvd建立了通航隧道内船行波传播的数值模型,重点分析了通航隧道内最大船行波波高及横向流速的时空分布规律,探讨了船舶吃水深度、弗劳德数、通航隧道水深和宽度以及船型对通航隧道内最大船行波波高和横向流速的影响;基于船行波波高历时分析,提出了计算通航隧道垂向断面高度的经验公式,并结合船行波破碎生成的横向流速和现行内河通航标准,给出了通航隧道内安全航行的水流条件及隧道横向断面尺寸的设计建议。结果表明:受隧道两侧直立壁反射影响,船尾波易受通航隧道岸壁影响叠加形成较大波高,越靠近隧道岸壁位置,最大横向流速越小;当船舶达到设计吃水深度时,产生的船行波不易破碎,最大横向流速较小。

关键词：船行波通航隧道断面尺寸 Boussinesq方程 funwave-tvd

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基于Boussinesq方程的陡峭礁坪上波浪传播变形数值模拟

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水利水电科技进展 2017年第1期37卷 38-42,67页

作者：黄英丽王国玉房克照陈戈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

为了探究应用基于二阶完全非线性Boussinesq方程开发的funwave-tvd波浪模型模拟波浪在陡峭礁坪上传播变形的可行性,在采用试验及已有文献成果进行可行性验证的基础上,利用该模型模拟了波浪在陡峭礁坪上的传播变形过程,分析了不同波浪要... 详细信息

为了探究应用基于二阶完全非线性Boussinesq方程开发的funwave-tvd波浪模型模拟波浪在陡峭礁坪上传播变形的可行性,在采用试验及已有文献成果进行可行性验证的基础上,利用该模型模拟了波浪在陡峭礁坪上的传播变形过程,分析了不同波浪要素及不同水深情况下波浪在陡峭礁坪上的传播规律。结果表明:当波高与水深的比值超过一定值时,波浪发生破碎,波高迅速减小;对于深水情况下的陡峭礁坪地形,当波浪离开礁坪坡脚的水平距离为4倍入射波长及更远时,礁坪上的平均波高可降低为稳定值。

关键词：波浪传播传播变形陡峭礁坪 Boussinesq方程 funwave-tvd

南沙群岛礁概化地形上拍岸浪数值模拟与统计分析

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海洋学报 2020年第1期42卷 22-30页

作者：曹广颂朱首贤张文静聂屿河海大学海洋学院江苏南京210098 国防科技大学气象海洋学院江苏南京211101 中国人民解放军91937部队浙江舟山316000

南沙群岛珊瑚岛礁众多,大多数岛礁具有向海坡陡峭、外礁坪比较平缓的特征。将南沙群岛岛礁的迎浪向地形概化为陡坡和缓坡组成的双斜坡,采用funwave-tvd模式数值模拟概化地形上的波浪,根据模拟的破碎波高分析其拍岸浪特征。对拍岸浪数值... 详细信息

南沙群岛珊瑚岛礁众多,大多数岛礁具有向海坡陡峭、外礁坪比较平缓的特征。将南沙群岛岛礁的迎浪向地形概化为陡坡和缓坡组成的双斜坡,采用funwave-tvd模式数值模拟概化地形上的波浪,根据模拟的破碎波高分析其拍岸浪特征。对拍岸浪数值模拟结果进行比较分析,向海坡的坡度对拍岸浪影响不大,外礁坪上拍岸浪高随地形坡度增大而略有增大;向海坡和外礁坪交界位置(即坡折点)水深对拍岸浪有比较明显的影响,拍岸浪高随坡折点水深增大而减小;拍岸浪高随入射波高和波周期增大而增大。利用大量的拍岸浪数值模拟数据对国内外5种统计模型进行检验,并且基于拍岸浪数值模拟数据建立了3种南沙群岛岛礁拍岸浪统计模型,计算结果显示这些模型适用性较好。

关键词：南沙群岛岛礁概化地形拍岸浪 funwave-tvd 统计模型