沙波地形上水流对波浪布拉格共振的影响机理研究

The interaction among wave current and ripple bed is one of the hot topics of the estuary and coastal dynamics. Due to the difficulties of the physical experiment and the complexity of the nonlinear mechanisms. There are nearly no progress for the impaction induced by current to the wave-ripple bed Bragg resonance.Based on physical experiments and theoritical analyse, the influence induced by coast-reflected wave to the wave-ripple bed interaction will be investigated firstly. Particularly, the influence to the III Bragg resonance will be focused. Then the high speed current-ripple bed resonance will be investigated via suitable experiments, in order to make clear the hydrodyanmics around limit current. At last, the mechanisms will be analzed, based on physical expeiments and numerical simulation, for the current-wave-ripple bed interactions. The corresponding results will do good to the simulation of the complex estuary and coastal hydrodynamic enviroment. It will help the improvement of new egineering techniques for the coastal prection. And it might provide a new concept for the exploriture of the tidal current.

波浪、水流与沙波地形的相互作用是河口海岸动力学的前沿与热点问题之一，由于室内实验模拟的困难和非线性作用机制的复杂，沙波地形上水流对波浪布拉格共振的影响机制还没有实质性的突破。本研究基于物理模型实验和理论分析，揭示海岸反射波对波浪与沙波地形布拉格共振，特别是第III类共振的影响机制；以物理模型实验为主，结合数值模拟，阐明亚临界及临界流速水流与沙波地形布拉格共振机理，明确临界状态共振所致表面波运动动力特性及稳定性；结合物理模型实验和数值模拟手段，分别探讨正反双向恒定水流和波浪共存时，沙波地形激发的布拉格共振特性。研究工作可为精细模拟河口海岸水域复杂的动力环境提供理论基础，为现代海岸防护和新型潮流能开发提供科学依据。

对于沙波地形上水流对波浪布拉格共振的影响机理这一河口海岸动力学问题，项目从第III类波浪布拉格共振的特性与机制、亚临界水流与沙波地形共振激发产生逆流行进波的特性与产生机制、波浪布拉格共振主频下移的影响特性与机制、利用波浪布拉格共振提升波能发电效率的可行性这四个针对波浪、水流与沙波地形相互作用的研究目标开展了基于水槽物理模型实验、理论解析计算、非线性波浪数值模拟的研究。对于第III类波浪布拉格共振，课题首次在实验层面证实了该类型共振现象，实现了其中超谐波与次谐波共振的水槽实验重构，揭示了第III类布拉格共振激发波的波要素空间演化过程，明确了共振所满足的波-波非线性相互作用理论；对于亚临界水流与沙波地形共振激发逆流行进表面水波这一科学问题，在水槽实验中实现波形的激发并细致测量波要素随流场变量的影响特性，明确了引发该波形的共振模式，建立了计算逆流行进波波要素时空演化特征的解析理论与数值模拟方法，解答了亚临界水流与沙波地形的共振机制；对于波浪布拉格共振主频下移的现象，通过水槽实验测量与高阶谱方法数值模拟的结合明确了相对水深、沙波波陡与Ursell数对布拉格共振主频下移量的影响特性；对于利用波浪布拉格共振提升波能发电效率的可行性，项目建立了基于振荡浮子式波浪能发电、采集与能量转换水槽实验平台，发现在特定的波要素范围内，利用波浪布拉格共振效应可以显著提高特定海域振荡浮子型波浪能采集装置的发电效率。通过研究，项目达到揭示沙波地形上水流对波浪布拉格共振的影响机理的预期目标，为开展精细模拟河口海岸水域复杂的动力环境等方面的研究打下了基础，为现代海岸防护和新型海洋能开发提供科学依据。相关成果获国家科技进步二等奖和2014年度美国土木工程师协会水道港口与海岸海洋工程期刊最佳论文奖；发表论文10篇，其中SCI检索5篇、EI检索1篇；授权专利2项；培养博士后2名、博士生2名、硕士生5名；项目负责人在执行该项目期间获国家杰出科学青年基金项目资助，入选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、科技部中青年科技创新领军人才与国家“万人计划”领军人才。