马蹄波产生和演化规律及对海上建筑物作用的研究

This research project investigates the generarion and evolution mechnism of crescent wave experimentally and numerically. Wave pressure on a fixed body produced by crescent waves is also concerned in the study.The focus of the research includes: (1)The effect of finite water depth on the generation and evolution of crescent wave. (2) The generation mechnism of oscillating crescent wave. （3）The generation mechnism of transient crescent wave.(4)The interaction between Benjamin & Feir instability and crescent wave.(5)the effect of wind blowing on the generation and evolution of crescent wave.(6)The wave force on a body produced by crescent waves.(7) The numerical simulations of crescent waves..A series of experiments on generation and evolution of crescent waves of diferent types will be performed in a large wave flume with the focus mentioned above.The mathematical model based on higher-order Boussinesq equations will be developed to simulate the crescent waves produced in the physical experiment. Its coupling with the three dimensional wave model based on potential theory will be adopted to simulate the wave action on a body. The new results to be obtained include the critical wave steepness for triggering crescent waves, the characteristics of the wave surface pattern and amplitude spectrum, and the parameters of surface elevation.

本项目通过物理模型实验和数值模拟方法研究马蹄波的生成机理和运动规律，研究内容包括：1）不同水深对马蹄波特性的影响；2）振荡型马蹄波的生成机理和运动规律；3)瞬变马蹄波的产生机理和运动规律；4）Benjamin & Feir(1967)第一类不稳定性对马蹄波的生成和运动规律的影响；5）海面风场对马蹄波的生成和演化的影响；6）马蹄波对圆柱体等海洋结构物的作用；7）马蹄波的数值模拟方法。物理模型实验将在55m长、34m宽波浪水池进行，利用水池的较大的长和宽的尺度，给波浪充分演化的空间和时间，研究在这样水池中马蹄波的生成方法和运动规律。数值模拟将研究计算效率高的高阶Boussinesq方程，该方程在色散性和波幅离散性方面已经获得了提高。以及该计算模型与物体附近区域的三维势流计算模型相耦合。本项目将通过对马蹄波的数值模拟，和将计算结果与实验结果进行对比，进一步研究各种类型马蹄波产生机理和运动规律。

本项目通过Stokes波线性不稳定理论分析、物理模型实验和数值模拟方法研究了各种类型马蹄波的生成机理和演化规律，所得到研究结果包括：（1）不同水深对马蹄波特性的影响；（2）传播型和振荡型马蹄波的生成机理和演化规律；（3）瞬变马蹄波的产生机理和演化规律；（4）Benjamin & Feir 不稳定性（Stokes波第一类不稳定性）对马蹄波的生成和演化的影响；（5）海面风场对马蹄波的生成和演化的影响；（6）马蹄波对圆柱体等海洋结构物的作用；（7）马蹄波的计算模型建立和数值模拟方法建立。在不同研究阶段和不同实验水池进行了各类马蹄波的生成和演化的多次物理模型实验，建立了在实验水池中生成马蹄波的方法，得到了各种类型马蹄波的波形特征和传播、长时间演化规律。数值模拟方面建立了具有精确色散性非线性波浪方程和马蹄波数值模拟方法、建立了考虑波浪水流相互作用的Boussinesq方程和水流对马蹄波的影响数学模型。应用所建立的具有精确色散性非线性波浪方程对马蹄波生成和演化规律进行了数值模拟，计算结果与实验结果符合。应用数值模拟方法进一步研究了各种类型马蹄波产生机理和演化规律。