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島礁波浪場的數(shù)值模擬應(yīng)用研究

發(fā)布時(shí)間:2020-10-28 14:49
   島礁周邊特殊的海底構(gòu)造,對波浪場計(jì)算具有不同于開闊海域的獨(dú)特挑戰(zhàn)。從力學(xué)分析角度,南海島礁與其它海洋島礁的顯著不同在于島礁與瀉湖周圍海床地形構(gòu)造復(fù)雜,開闊海域的波流傳播至島礁,產(chǎn)生不同于海岸工程的波浪快速淺化效應(yīng)、多島礁繞射和折射效應(yīng)、礁盤越浪和瀉湖共振效應(yīng)等復(fù)雜的自由面水動力學(xué)現(xiàn)象。因此,如何描述風(fēng)、浪、流與水深、地形作用下島礁附近波浪環(huán)境條件的演化過程,成為了在南海島礁附近超大浮體設(shè)計(jì)中的新特點(diǎn)和新挑戰(zhàn)。本文依據(jù)目前有關(guān)描述近岸波浪傳播的方法,針對島礁周邊遠(yuǎn)場較深水深的波浪傳播,采用動譜平衡方程模型處理。WAVEWATCH-Ⅲ(下文簡稱WW3)是第三代海浪模型中的典型代表,自從誕生以來在國際上得到了廣泛的應(yīng)用,該模型是基于能量守恒原理的波浪譜模型,因此可以描述波浪波動能量、波高、波長、波頻率等要素的變化。本文第二章詳細(xì)介紹了模型的控制方程、離散方法和參數(shù)設(shè)置。第三章介紹了突變地形下規(guī)則波傳播的二維算例,并利用解析解對結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了WW3對二維突變地形下波浪演化計(jì)算的可行性。第四章和第五章分別利用自定義譜和JONSWAP譜作為輸入譜,模擬了遠(yuǎn)場涌浪經(jīng)過南海典型島礁地形(變水深、島礁)演化到近岸的過程,并將計(jì)算結(jié)果與對應(yīng)的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,綜合分析表明利用WW3對島礁復(fù)雜地形下波浪演化進(jìn)數(shù)值模擬,播報(bào)海浪要素的方法是可行的。第六章利用風(fēng)場作為輸入條件后報(bào)了臺風(fēng)海鷗影響下的島礁附近波浪場,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測進(jìn)行了分析比較。在工程實(shí)例中,挑選合適的輸入譜模型、合理設(shè)置源項(xiàng)參數(shù)對于研究波浪演化問題是十分必要的,本文為WW3波浪模型在島礁地形下的工程應(yīng)用提供參考。
【學(xué)位單位】:大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位年份】:2016
【中圖分類】:P731.22
【文章目錄】:
摘要
Abstract
1. 緒論
    1.1 本課題研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 波浪演化模擬方法研究進(jìn)展
        1.2.2 WAVEWATCH-Ⅲ研究進(jìn)展
    1.3 論文內(nèi)容與結(jié)構(gòu)
2. WW3模型介紹
    2.1 模型的控制方程
    2.2 源項(xiàng)的計(jì)算
in'>        2.2.1 風(fēng)-波相互作用項(xiàng)Sin
  •         2.2.2 非線性波-波相互作用項(xiàng)Snl
  •         2.2.3 耗散項(xiàng)Sds
  •         2.2.4 壁面摩擦項(xiàng)Sbot
  •         2.2.5 線性輸入項(xiàng)Sln
  •         2.2.6 碎波項(xiàng)Sdb
  •     2.3 方程的離散和求解
            2.3.1 第一步:時(shí)間模式下的波高修正
            2.3.2 第二步:在物理空間求解
            2.3.3 第三步:在譜空間進(jìn)行求解
            2.3.4 源項(xiàng)的離散求解
        2.4 模型中的輸入譜
            2.4.1 Gaussian譜
            2.4.2 JONSWAP譜
            2.4.3 Fetch-limited JONSWAP譜
            2.4.4 自定義譜
        2.5 模型參數(shù)設(shè)置
        2.6 模型二次開發(fā)
            2.6.1 源文件的修改及其說明
            2.6.2 模型的可視化
        2.7 本章小結(jié)
    3. 二維海底突變算例
        3.1 算例概況
        3.2 輸入譜及參數(shù)設(shè)置
        3.3 模擬結(jié)果
            3.3.1 波浪演化流程分析
            3.3.2 穿透系數(shù)曲線對比
        3.4 本章小結(jié)
    4. 近島礁生產(chǎn)生活平臺及浮式棧橋系統(tǒng)水動力性能模型試驗(yàn)計(jì)算
        4.1 算例概況
            4.1.1 地形前處理
            4.1.2 地形網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)
        4.2 輸入譜及參數(shù)設(shè)置
        4.3 結(jié)果分析
            4.3.1 各個計(jì)算工況結(jié)果與試驗(yàn)對比
            4.3.2 波譜誤差分析
        4.4 本章小結(jié)
    5. 波浪在島礁變水深海區(qū)傳播變形規(guī)律模型試驗(yàn)計(jì)算
        5.1 算例概況
            5.1.1 建立地形網(wǎng)格
            5.1.2 波浪測點(diǎn)位置分布
        5.2 輸入譜及參數(shù)設(shè)置
        5.3 計(jì)算結(jié)果分析
        5.4 本章小結(jié)
    6. 臺風(fēng)“海鷗”波浪場計(jì)算
        6.1 算例概況
            6.1.1 臺風(fēng)場條件
            6.1.2 計(jì)算域范圍及波浪實(shí)測數(shù)據(jù)
        6.2 輸入譜及參數(shù)設(shè)置
        6.3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測對比
            6.3.1 有意波高驗(yàn)證
            6.3.2 波浪譜驗(yàn)證
        6.4 本章小結(jié)
    結(jié)論
    參考文獻(xiàn)
    附錄A 波浪監(jiān)測點(diǎn)信息
    附錄B 監(jiān)測點(diǎn)的有意波高對比
    攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
    致謝

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    本文編號:2860233

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