岛礁波浪场的数值模拟应用研究

发布时间：2020-10-28 14:49

　　岛礁周边特殊的海底构造,对波浪场计算具有不同于开阔海域的独特挑战。从力学分析角度,南海岛礁与其它海洋岛礁的显著不同在于岛礁与泻湖周围海床地形构造复杂,开阔海域的波流传播至岛礁,产生不同于海岸工程的波浪快速浅化效应、多岛礁绕射和折射效应、礁盘越浪和泻湖共振效应等复杂的自由面水动力学现象。因此,如何描述风、浪、流与水深、地形作用下岛礁附近波浪环境条件的演化过程,成为了在南海岛礁附近超大浮体设计中的新特点和新挑战。本文依据目前有关描述近岸波浪传播的方法,针对岛礁周边远场较深水深的波浪传播,采用动谱平衡方程模型处理。WAVEWATCH-Ⅲ(下文简称WW3)是第三代海浪模型中的典型代表,自从诞生以来在国际上得到了广泛的应用,该模型是基于能量守恒原理的波浪谱模型,因此可以描述波浪波动能量、波高、波长、波频率等要素的变化。本文第二章详细介绍了模型的控制方程、离散方法和参数设置。第三章介绍了突变地形下规则波传播的二维算例,并利用解析解对结果进行对比,验证了WW3对二维突变地形下波浪演化计算的可行性。第四章和第五章分别利用自定义谱和JONSWAP谱作为输入谱,模拟了远场涌浪经过南海典型岛礁地形(变水深、岛礁)演化到近岸的过程,并将计算结果与对应的模型试验结果进行比较,综合分析表明利用WW3对岛礁复杂地形下波浪演化进数值模拟,播报海浪要素的方法是可行的。第六章利用风场作为输入条件后报了台风海鸥影响下的岛礁附近波浪场,将计算结果与实测进行了分析比较。在工程实例中,挑选合适的输入谱模型、合理设置源项参数对于研究波浪演化问题是十分必要的,本文为WW3波浪模型在岛礁地形下的工程应用提供参考。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：P731.22
【文章目录】：
摘要
Abstract
1. 绪论
    1.1 本课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 波浪演化模拟方法研究进展
        1.2.2 WAVEWATCH-Ⅲ研究进展
    1.3 论文内容与结构
2. WW3模型介绍
    2.1 模型的控制方程
    2.2 源项的计算
in'>        2.2.1 风-波相互作用项S_{in
        2.2.2 非线性波-波相互作用项S_nl
        2.2.3 耗散项S_ds
        2.2.4 壁面摩擦项S_bot
        2.2.5 线性输入项S_ln
        2.2.6 碎波项S_db
    2.3 方程的离散和求解
        2.3.1 第一步：时间模式下的波高修正
        2.3.2 第二步：在物理空间求解
        2.3.3 第三步：在谱空间进行求解
        2.3.4 源项的离散求解
    2.4 模型中的输入谱
        2.4.1 Gaussian谱
        2.4.2 JONSWAP谱
        2.4.3 Fetch-limited JONSWAP谱
        2.4.4 自定义谱
    2.5 模型参数设置
    2.6 模型二次开发
        2.6.1 源文件的修改及其说明
        2.6.2 模型的可视化
    2.7 本章小结
3. 二维海底突变算例
    3.1 算例概况
    3.2 输入谱及参数设置
    3.3 模拟结果
        3.3.1 波浪演化流程分析
        3.3.2 穿透系数曲线对比
    3.4 本章小结
4. 近岛礁生产生活平台及浮式栈桥系统水动力性能模型试验计算
    4.1 算例概况
        4.1.1 地形前处理
        4.1.2 地形网格无关性检验
    4.2 输入谱及参数设置
    4.3 结果分析
        4.3.1 各个计算工况结果与试验对比
        4.3.2 波谱误差分析
    4.4 本章小结
5. 波浪在岛礁变水深海区传播变形规律模型试验计算
    5.1 算例概况
        5.1.1 建立地形网格
        5.1.2 波浪测点位置分布
    5.2 输入谱及参数设置
    5.3 计算结果分析
    5.4 本章小结
6. 台风“海鸥”波浪场计算
    6.1 算例概况
        6.1.1 台风场条件
        6.1.2 计算域范围及波浪实测数据
    6.2 输入谱及参数设置
    6.3 计算结果与实测对比
        6.3.1 有意波高验证
        6.3.2 波浪谱验证
    6.4 本章小结
结论
参考文献
附录A 波浪监测点信息
附录B 监测点的有意波高对比
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2860233

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