规则波在岛礁地形上传播的SPH模拟

发布时间：2020-09-05 13:31

　　深海岛礁的礁面非常陡峭,水深一般从礁底处的几千米急剧变化到礁缘上的几米。波浪沿礁面发生浅水变形并在礁缘或礁坪上破碎,进而在礁坪上产生波浪增水、波生流及次重力波等现象。深海岛礁地貌特征的不同将导致其水动力特性与大陆沿岸缓坡地形上的岸礁有明显的差异。此外,由波浪破碎产生的波生流对于礁坪上泥沙运动、养分输移和生物栖息也有很大的影响。因此,掌握深海岛礁相关的水动力特性,对岛礁后续的开发和保护均具有重要的指导意义。本文建立了一个能够较准确描述波浪在深海台礁上传播变形过程的SPH数值模型。模型采用Favre平均N-S方程作为控制方程,并采用亚粒子湍流应力封闭方程。数值水槽左右两侧边界采用周期性边界条件代替传统使用的固壁边界条件,并在水槽两端消波层下方预留水流通道。台礁地貌概化为坡度1:1的斜坡和高度为1.8 m的水平礁坪。最后为了验证数学模型的准确性,在非线性波浪水槽中开展了相应的物理模型试验。SPH模拟结果与试验数据吻合较好,说明该数值模型可以较好地重演波浪在深海台礁上的传播变形过程以及礁坪上波高以及波浪增水的空间分布特征。在水槽左右两侧采用周期性边界和预留水流循环通道,能够有效解决传统竖向二维数值模型中由于礁坪上越浪引起的泻湖内水面非物理性抬高问题,大大提高计算精度。从物理模型试验结果和SPH模拟结果均可以看出,由于波浪破碎,礁坪上波高迅速衰减,在低水位时波浪在礁缘前破碎,而在高水位时波浪在礁缘后破碎。在破碎带内,波能大量耗散,波高骤减。在破碎带外,破碎停止,重新生成的段波波高沿礁坪继续向前传播时逐渐衰减。波浪传播至礁面时产生轻微的波浪减水,随后波浪破碎产生明显的波浪增水现象。波浪增水高度在破波带内迅速增加,在破波带末端达到最大值,并在破波带外的礁坪上保持大致恒定。对于靠近外海的礁坪前半部分,垂向平均流速从底边界到静水位缓慢增加,而在礁坪后半部分,静水面以下,平均流速保持恒定,这是因为重新生成的段波波高很小,对波生流的垂向流速分布影响很小。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P731.22

【参考文献】