多尺度波浪数值模拟技术研究

发布时间：2020-07-21 21:45

【摘要】：波浪是海洋环境的重要影响因素之一,波浪的准确模拟对于工程建设具有非常重要的实践意义,然而目前尚未有一种波浪模型能够准确地模拟外海风浪生成、海浪传播、近岸处波浪破碎等全部物理过程。本文对目前存在的各种波浪模型的理论研究和实际应用进行了简单的回顾,综合比较和分析了各类波浪模型的优点与不足,并在前人工作的基础上利用波能平衡方程模型SWAN以及考虑非静压项的非线性浅水方程模型SWASH完成了中国东部海区至长江口局部水域波浪场的数值模拟。通过SWAN和SWASH的嵌套模式可以快速地对海域波浪进行高分辨率的数值模拟。针对中国东部海区至长江口局部水域多尺度波浪数值模拟技术体系的建立,主要分为以下三个步骤：首先本文以风场数据和潮位数据为驱动条件,运用第三代浅海海浪数值模式SWAN模型对中国东部海区至长江口水域的波浪进行模拟。在该波浪模拟过程中,采用了SWAN模型自身三重嵌套结构。本文所采用的风场数据是通过WRF模拟计算得到的,并选取了两个测站的风速值与模拟值进行验证,发现拟合效果较好；潮位驱动数据是由Delft3D-FLOW模型得到的,其水位边界由日本的天文潮模型NAO.99b嵌套获取的,并选取了长江口附近多个验潮站的实测潮位数据与模拟值进行验证,发现Delft3D-FLOW能很好地模拟长江口邻近海域的水位。采用经过验证的风场数据和潮位数据作为长江口邻近海域波浪模型的驱动条件,对其波浪场进行数值模拟。选取长江口、牛皮礁、南槽东以及浮标观测站四个波浪测站实测波高和波周期数据对SWAN模型进行验证,发现波浪模型模拟的波高和周期与实际观测的波高和周期基本吻合,说明SWAN模型可以很好地模拟长江口水域的波浪要素。其次,本文运用非静压浅水方程模型SWASH对长江口横沙促淤圈围五期工程南大堤东端附近波浪进行了模拟。对该区域波浪场的模拟采用了SWAN和SWASH的嵌套模式,即在模拟过程中采用SWAN波浪模型输出的波浪谱作为SWASH模型的驱动边界条件,并以近岸处压力式测波仪观测波浪数据对该模型进行验证,发现模拟波面和观测波面拟合较好。最后,本文通过SWASH自身嵌套的方式,以远岸波浪浮标的波面时间序列为驱动,建立了该区域的一维数值模型。对远岸波浪浮标处直至南大堤越浪集水池的波浪传播变形过程进行了数值模拟,结果发现该一维模型可以准确地模拟波浪爬坡越浪过程。本文通过上述从大尺度中国东部海区至小尺度南大堤东端波浪爬坡越浪过程的全部物理过程数值模拟的步骤,联合运用SWAN和SWASH模型,构建了一种合理的多尺度的波浪模拟体系。最后,本文以经过验证的波浪模型为基础,对长江口水域2013年全年波浪要素进行了数值模拟。分别对2013年中国东部海区波浪、长江口邻近海域波浪的分布情况进行了年综合分析,以及季节性变化分析,并且绘制了四个季节的波高玫瑰图进行分析。对于长江口横沙促淤圈围五期工程南大堤东端附近波浪,本文对某一时刻的波浪进行了数值模拟计算,并分析了在此时刻波浪场的分布特征。同时建立了南大堤东端北向的一维波浪模型,对某一时间段的越浪值进行了模拟计算,结果显示该一维模型可以很好地反映此处的实际越浪量。本文建立了多尺度波浪数值模拟体系,并实现了在长江口水域的应用。该波浪模拟体系综合考虑了风浪生成、波浪传播、波浪衰减破碎等所有物理过程,同时在模拟过程中考虑了潮流对波浪的影响,建立了长江口邻近海域的波流耦合模型。这种联合运用波能平衡方程SWAN和非线性浅水方程SWASH模型对波浪进行真实模拟的方法,对工程应用具有重要的意义,可以为波浪的数值模拟提供一定参考。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV139.2

【参考文献】