河口海域波浪堆积的形成机理及其数值模拟研究

应用波浪理论和数值分析方法，推求二维平面上的波浪堆积演化关系式，分析河口海域波浪堆积变化特性。进行港池物理试验，利用波高仪、ADV等仪器量测波浪要素和水流速，通过量纲分析，总结不同工况波流相互作用下波浪堆积的变化规律。从流体动力学基本原理出发，建立考虑波流相互作用的平面二维多向随机波浪传播变形数值模型和强逆流条件下波浪破碎的能量耗散表达式，利用实验资料对模型结果进行验证，研究强流对波浪场的影响机制和影响程度，旨在揭示河口海域复杂地形和水流条件下波浪堆积的形成机理及其演化规律，为河口海域复杂条件下的海况预报、航道设计、地形演变以及海工结构物稳定性分析等方面的研究打下基础。

对平面二维空间内逆流与波浪相互作用的非线性机制进行理论分析，提出波浪堆积时的波要素演变关系式。在波浪港池开展物理模型试验研究波浪堆积情况下波浪特性随周期、波高、水深、水流条件的变化规律，实验结果表明，随着水流速度和波速的相对速度U/C的增大，波陡也随之增大；当U/C=0.375时，各种组合下都发生波浪堆积现象。通过理论推导考虑绕射、碎波、波流相互作用和非线性影响的波作用量守恒方程，采用有限差分法离散控制方程，解决结合边界信息和输入条件考虑反射、透射和越浪的影响的程序设计方法，建立了河口海岸复杂条件下多向随机波浪传播变形数学模型。提出波浪场与波生流的双向反馈耦合计算方法，与传统非定常耦合方法相比，该方法过程简单、速度快，同时能获得与测量值相符的波浪场与流场，解决了波流相互作用下随机波浪传播变形与波生流运动非线性耦合计算的关键难点。通过物理模型实验资料对四种考虑地形和水流共同影响的波浪破碎能量耗散公式进行对比计算，发现包含水流和地形影响的激破波模式Battjes and Janssen formula计算结果与实测资料吻合最好，平均计算误差小于25%，建议波作用量守恒方程波浪模型中采用其作为强逆流条件下波浪破碎的能量耗散表达式。通过研究，达到揭示河口海域复杂地形和水流条件下波浪堆积的形成机理及其演化规律的预期目标，为开展河口海岸复杂条件下的海况预报、航道设计、地形演变以及海工结构物稳定性等方面的研究打下基础；发表标注资助号的期刊论文9篇和会议论文3篇，其中SCI检索论文6篇、EI检索论文5篇；在国家版权局登记计算机软件著作权1项；培养博士生2名、硕士生3名；项目负责人应邀在第六届中德水利与海洋工程研讨会做主题报告；研究成果获2012年度海洋工程科学技术奖二等奖。