随机波浪在斜坡地形上的非线性特征参数化研究

发布时间：2017-12-17 17:22

  本文关键词：随机波浪在斜坡地形上的非线性特征参数化研究

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【摘要】：非线性是海洋波浪的重要特征之一,在波浪的传播变形过程中起着举足轻重的作用,是研究水波动力学的关键因素之一。波浪的非线性与破碎、畸形波、低频波浪等现象密切相关,是目前水波动力学研究的热点和难点。根据波浪成分间的非线性相互作用程度可以划分为弱非线性相互作用和强非线性相互作用,弱非线性主要作用于深水和有限水深中的波浪,在弱非线性相互作用的影响下,波浪成分间的能量传递很慢,需要百余个波浪周期才会有显著的能量传递,但是当波浪进入浅水区域后,随着水深减小,波浪开始表现出非常强烈的非线性特征,这种非线性相互作用可以在几个周期内就发生非常可观的能量传递。大量研究表明,非线性相互作用主导了波浪从变形到破碎的整个过程,对浅水泥沙输运等方面都起到不可忽视的作用。因此,开展浅水波浪的的非线性特征研究具有非常重要的理论意义和工程应用价值。参数化方法不仅能够从定量角度对波浪非线性特征的各种影响因素进行分析,得到的经验公式还可以对现有的数学模型做进一步的修正,因此是一种非常有效的研究方法。本论文以物理模型实验为主,辅以数值模拟方法对波浪在浅堤地形上传播过程中的非线性特征进行了系统的研究,并对这些非线性特征量进行了参数化讨论,主要研究内容如下：首先通过物理模型实验对随机波浪在不同坡度上的传播进行了研究,应用小波二阶谱分析了波浪在传播过程中的三阶非线性耦合特征,并分析了地形坡度对波浪非线性相互作用的影响；分析了波浪的非线性几何参数,例如偏度、不对称度以及二阶相关值与当地Ursell数间的关系,并采用最小二乘法拟合得到了一组考虑地形坡度影响的描述波浪非线性几何特征变化的公式。通过与前人得到的公式进行比较,发现新的公式可以更精确的描述波浪在斜坡地形的非线性特征变化。此外,论文还分析了斜坡地形上的极限波浪(临界破碎波)的几何特征,发现水深和波高对极限波浪的几何形态起到非常重要的影响,与深水和有限水深情况下的结果相比,浅水极限波浪的波陡、偏度和不对称度偏大,进而基于实验数据拟合了考虑地形坡度影响的极限波浪几何特征参数与波高水深比之间的关系。随后通过物理实验研究了逆流作用下的波浪在浅堤地形传播过程中的非线性特征,结果表明,逆流会显著影响波浪非线性特征量的变化趋势。在变浅区域,波浪阻隔程度较轻时,逆流会加快波浪非线性特征量的增长趋势,使波浪的波陡、偏度和不对称度增长变快；而随着水深变浅,逆流流速变大,波浪阻隔增大到一定程度的情况下,逆流会加快波浪的非线性特征减缓趋势,使波浪的非线性特征量减小更快,进而给出了逆流中的波浪在不同浅堤地形下的非线性特征参数变化的经验公式。最后采用完全非线性Boussinesq方程模拟了斜向入射的随机波浪在不同坡度地形下的传播变形,通过分析讨论了入射角度对波浪非线性参数变化的影响。结果表明,波浪入射角度会显著影响波浪的非线性相互作用程度,随着入射角度的增大,波浪的非线性相互作用变弱,进而通过最小二乘法拟合了一组考虑了入射角度影响的描述波浪非线性特征量变化的经验公式。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV139.2
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本文编号：1300960