基于非静压方程的三维越浪研究

Most coastal structures are designed by the standard of allowing wave overtopping. Multi-directional waves with an oblique direction relative to structures are common phenomena in real engineering circumstances. Therefore, wave overtopping over coastal structures is a three-dimensional problem. Based on non-hydrostatic equation method which is a most compute competitive method solving three-dimensional wave problems in field-scale, this project is to develop a three-dimensional wave overtopping numerical model by introducing wave generations without re-reflection, hydrostatic front approximate wave breaking method and the permeable flow motion equation considering Darcy’s volume-averaged turbulent kinetic energy model combined with physical wave flume tests. This study will not only provide significant scientific foundation for the design of wave structure but also improve numerical techniques of wave propagation and transformation in nearshore zone.

海岸结构物多按允许发生越浪的标准进行设计。实际工程环境中波浪多为斜向入射的多向不规则波。因此，海岸结构物越浪实际是三维问题。为合理描述越浪，给海岸结构物顶标高设工程计提供科学依据，本申请项目基于现场尺度三维数值计算效率最具有竞争力的非静压方程方法，采用无反射造波、破碎静压模式以及考虑可渗流体紊流模型的渗流运动方程并结合波浪水槽物理试验，建立三维越浪数值计算模式，开展海岸结构物三维越浪研究。本项目研究不仅为结构物防浪设计提供有力的科学依据，还将进一步发展和完善近岸海浪传播变形数值计算技术。

基于非静压方程的波浪传播变形模型已经成为海岸工程波浪数学模型的一个重要类型。本项目基于非静压方程模型进一步研究和改进了数值造波方法、波浪破碎模型以及波浪与孔隙结构相互作用等波浪越浪模拟较为关注的问题，为非静压方程在工程结构物越浪的应用提供科学依据。.基于非静压方程提出了域内无反射造波技术，结合通流消波边界首次基于非静压方程建立了波流同造的数值水槽。研究表明，提出的造波方法可以稳定且长时间模拟相对波高较大的波浪传播，也可以通过指定造波区生成稳定的目标波的波浪场，有效地减小了数值计算域。此外，建立的波流数值水槽可以合理地模拟水流条件下潜堤上的波浪阻塞问题。.基于非静压方程分别研究了紊流闭合模型垂向层数以及波前静压假定（HFA）模式的相关系数对破碎精度的影响。研究表明，采用紊流闭合模型模拟波浪破碎时垂向网格层数需要划分15层及以上，才可以达到较高的精度。采用HFA模式模拟时，破碎系数α的取值对破碎精度的影响较明显，破碎系数β和垂向涡粘系数对破碎的影响较小；此外，HFA模式中如果忽略水平涡粘系数将对破碎点的波形有明显影响，但其数值的大小对破碎精度并不敏感。.基于孔隙流体运动方程和紊流模型对波浪与孔隙结构相互作用进行了研究。通过与水槽实验的计算对比表明，紊流阻力系数对波谱影响要大于层流阻力系数；采用HFA破碎模式（垂向2~5层网格）计算的孔隙潜堤破碎后波高的精度不如紊流模型（20~40层）。因此，对于非静压方程模拟波浪与孔隙结构相互作用破碎现象更适合采用垂向层数较多的紊流模型计算。.基于非静压方程模拟研究了光滑斜坡堤堤后波周期特性，研究表明相对淹没深度和波陡是堤后波周期的主要影响因素，拟合的光滑堤后波周期透射系数的经验公式计算结果与实验结果吻合较好；针对有护面块体的斜坡堤越浪非静压模拟，提出了斜坡堤上底摩阻系数的预测公式，基于该公式的底摩阻系数模拟的越浪量与实测结果的平均误差率优于神经网络模型预测结果。