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建立了求解一维全非线性Green-Naghdi水波方程的中心有限体积/有限差分混合数值格式。采用结构化网格对守恒形式的控制方程进行离散和积分,界面数值通量采用有限体积法计算,剩余项则采用中心有限差分格式求解。其中,采用中心迎风有限体积格式计算控制体界面数值通量,并结合界面变量的线性重构方法,使其在空间上具有四阶精度,通过引入静压重构技术和波浪破碎指标使模型具备处理海岸水-陆动边界及波浪破碎的能力。时间积分则采用具有总时间变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)性质的三阶龙格-库塔法进行。应用该模型对孤立波在常水深和斜坡海岸上的传播过程及规则波跨越潜堤传播的实验进行了数值模型研究,数值计算同解析解及实验数据吻合良好。 相似文献
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LAGFD-WAM海浪数值模式是一种第三代海浪数值模式，通过求解波数谱平衡方程，并考虑风输入、波浪破碎耗散、底摩擦耗散、波波非线性相互作用和波流相互作用等源函数，模拟波数空间下的海浪方向谱，并依此获得海浪的波高、周期和平均波向。该模式的一个显著特点是采用特征线嵌入格式求解海浪的传播。在进行浅水区域的海浪模拟时，特征线嵌入格式的数值计算方案是否合理对海浪数值模拟结果产生直接的影响。为此LAGFD-WAM海浪数值模式提出了一种新的特征线混合数值计算格式，并应用于浅水海浪数值模拟。结果表明，采用该计算方法，能够使数值模拟结果与实测结果很好符合。 相似文献
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建立基于四阶完全非线性Boussinesq水波方程的二维波浪传播数值模型。采用Kennedy等提出的涡粘方法模拟波浪破碎。在矩形网格上对控制方程进行离散,采用高精度的数值格式对离散方程进行数值求解。对规则波在具有三维特征地形上的传播过程进行了数值模拟,通过数值模拟结果与实验结果的对比,对所建立的波浪传播模型进行了验证。同时,为了考察非线性对波浪传播的影响,给出和上述模型具有同阶色散性、变浅作用性能但仅具有二阶完全非线性特征的波浪模型的数值结果。通过对比两个模型的数值结果以及实验数据,讨论非线性在波浪传播过程中的作用。研究结果表明,所建立的Boussinesq水波方程在深水范围内不但具有较精确的色散性和变浅作用性能,而且具有四阶完全非线性特征,适合模拟波浪在近岸水域的非线性运动。 相似文献
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本文基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。 相似文献
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适用于沙坝上Bragg反射的二阶Boussinesq方程数学模型及其数值验证 总被引：1，自引：1，他引：0
在二阶 Boussinesq 方程基础上,通过引入含水深导数项对该方程进行了理论上的改进,使得该方程在应用于无限沙坝 Bragg反射问题时与理论解析解在更大范围内符合.基于该改进的高阶 Boussinesq 方程,在非交错网格下建立了混合 4 阶的Adams-Bashforth- Moulton 格式的数学模型.将数值模型应用到有限个连续沙坝上波浪传播变形问题的数值模拟中,通过两点法给出数值波浪反射系数,将这些反射系数与已有的实验数据进行对比,对比表明改进后的模型计算出的反射系数与实验结果吻合更好,这验证了本文理论改进的有效性. 相似文献
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Liu等给出的最高导数为2的双层Boussinesq水波方程具有较好的色散性和非线性,基于该方程建立了有限差分法的三维波浪数值模型。在矩形网格上对方程进行了空间离散,采用高阶导数近似方程中的时、空项,时间积分采用混合4阶Adams-Bashforth-Moulton的预报—校正格式。模拟了深水条件下的规则波传播过程,计算波面与解析结果吻合较好,反映出数值模型能很好地刻画波面过程及波面处的速度变化;在kh=2π条件下可较为准确获得沿水深分布的水平和垂向速度,这与理论分析结果一致。最后,利用数值模型计算了规则波在三维特征地形上的传播变形,数值结果和试验数据吻合较好;高阶非线性项会对波浪数值结果产生一定的影响,当波浪非线性增强,水深减少将产生更多的高次谐波。建立的双层Boussinesq模型对强非线性波浪的演化具有较好的模拟精度。 相似文献
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波浪在斜坡地形上破碎,破波后稳定波高多采用物理模型试验方法进行研究,利用近岸波浪传播变形的抛物型缓坡方程和波能流平衡方程,导出了适用于斜坡上波浪破碎的数值模拟方法。首先根据波能流平衡方程和缓坡方程基本型式分析波浪在破波带内的波能变化和衰减率,推导了波浪传播模型中波能衰减因子和破波能量流衰减因子之间的关系;其次,利用陡坡地形上的高阶抛物型缓坡方程建立了波浪传播和波浪破碎数学模型;最后,根据物理模型试验实测数据对数值模拟的效果进行验证。数值计算与试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟斜坡地形的波浪传播波高变化。 相似文献
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数值模式与统计模型相耦合的近岸海浪预报方法 总被引：2，自引：2，他引：0
针对数值模式和统计模型预报近岸海浪存在的局限性,构建了数值模式和统计模型相耦合的近岸海浪预报框架,在模式计算格点和近岸预报目标点之间定义一个海浪能量密度谱传递系数,通过经验正交函数分解和卡尔曼滤波方法建立传递系数的统计预报模型并与数值模式进行耦合。经过对近岸波浪观测站1a的预报试验表明:该方法能够提高近岸海浪有效波高预报精度,有效波高的均方根误差降低了约0.16m,平均相对误差降低约9%。进一步试验和分析发现,该方法的预报有效时间小于24h,将海浪能量密度谱经过分解后得到的基本模态反映了近岸波侯的主要特征,海浪能量密度谱传递系数的变化体现了波侯的季节变化特点。 相似文献
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为建立高效的Boussinesq类水波数值模型,提出了一种新型的、基于有限差分和有限体积方法的混合数值格式。针对守恒形式的一维控制方程,在等间距矩形控制体内对其进行积分并离散,采用有限体积方法计算界面数值通量,剩余源项采用有限差分方法计算。其中,采用MUSTA格式并结合高精度状态插值方法计算控制体界面数值通量。时间积分则采用具有TVD性质的三阶龙格-库塔多步积分法进行。除验证模型外,重点对MUSTA格式和广泛使用的HLL格式进行了比较。结果表明,MUSTA格式可用于Boussinesq类水波方程数值求解,综合考虑数值精度、计算效率、程序编制和实际应用这几个方面,其较HLL格式更具有优势。 相似文献
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The performance of interFoam (a widely used solver within OpenFOAM package) in simulating the propagation of water waves has been reported to be sensitive to the temporal and spatial resolution. To facilitate more accurate simulations, a numerical wave tank is built based on a Navier–Stokes model, which employs the VPM (volume-average/point-value multi-moment) scheme as the fluid solver and the THINC/QQ method (THINC method with quadratic surface representation and Gaussian quadrature) for the free-surface capturing. Simulations of regular waves in an intermediate water depth are conducted and the results are assessed via comparing with the analytical solutions. The performance of the present model and interFoam solver in simulating the wave propagation is systematically compared in this work. The results clearly demonstrate that compared with interFoam solver, the present model significantly improves the dissipation properties of the propagating wave, where the waveforms as well as the velocity distribution can be substantially maintained while the waves propagating over long distances even with large time steps and coarse grids. It is also shown that the present model requires much less computation time to reach a given error level in comparison with interFoam solver. 相似文献
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A temporally second-order accurate Godunov-type scheme for solving the extended Boussinesq equations
A numerical scheme for solving the class of extended Boussinesq equations is presented. Unlike previous schemes, where the governing equations are integrated through time using a fourth-order method, a second-order Godunov-type scheme is used thus saving storage and computational resources. The spatial derivatives are discretised using a combination of finite-volume and finite-difference methods. A fourth-order MUSCL reconstruction technique is used to compute the values at the cell interfaces for use in the local Riemann problems, whilst the bed source and dispersion terms are discretised using centred finite-differences of up to fourth-order accuracy. Numerical results show that the class of extended Boussinesq equations can be accurately solved without the need for a fourth-order time discretisation, thus improving the computational speed of Boussinesq-type numerical models. The numerical scheme has been applied to model a number of standard test cases for the extended Boussinesq equations and comparisons made to physical wave flume experiments. 相似文献
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When pycnocline thickness of ocean density is relatively small, density stratification can be well represented as a two-layer system. In this article, a depth integrated model of the two-layer fluid with constant density is considered,and a variant of the edge-based non-hydrostatic numerical scheme is formulated. The resulting scheme is very efficient since it resolves the vertical fluid depth only in two layers. Despite using just two layers, the numerical dispersion is shown to agree with the analytical dispersion curves over a wide range of kd, where k is the wave number and d the water depth. The scheme was tested by simulating an interfacial solitary wave propagating over a flat bottom, as well as over a bottom step. On a laboratory scale, the formation of an interfacial wave is simulated,which also shows the interaction of wave with a triangular bathymetry. Then, a case study using the Lombok Strait topography is discussed, and the results show the development of an interfacial wave due to a strong current passing through a sill. 相似文献
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《Coastal Engineering》1999,37(2):175-192
Nonlinear wave diffraction is studied using the nonlinear time-dependent mild slope equation. The equations are solved using a combined Newton–Raphson and Crank–Nicolson finite difference scheme. The model results are verified for propagation of highly nonlinear waves over uniform depth and wave diffraction due to semi-finite breakwater and breakwater gap with different widths. Comparison between the numerical and experimental results indicates that the model is capable of simulating nonlinear wave diffraction. The model is applied to study the effect of the wave nonlinearity on the diffraction coefficient for a semi-infinite breakwater and a breakwater gap. 相似文献