二维数值波浪水槽模式的建立和应用及浪流相互作用研究

根据本人在攻读博士学位期间所作的两项海浪研究工作，将学位论文分为二维数值波浪水槽模式的建立和应用，以及浪流相互作用研究两部分。 第一部分在回顾数值波浪水槽发展历程、现状及其应用前景的基础上，重点报告本人独立开发二维非线性数值波浪水槽模式的研究工作，其中包括构建数值波浪水槽的运行原理和具体步骤等全过程。 详细阐述了数值波浪水槽研究的数学物理基础以及建立数值波浪水槽的两大核心技术—二次边界元方法和混合欧拉—拉格朗日方法，给出了数值波浪水槽运行的实时模拟流程图。同时还系统说明了该模式应用的造波技术、消波技术以及特殊数值处理的方法和步骤。其中对阻尼消波技术作了改进，设计了一种纺锤形的阻尼消波器使其具有双向消波功能和低通滤波功能。将其与一种以水位为控制信号的活塞式消波机相结合，获得了更为满意的消波效果。 为检验该波浪水槽模式的性能，对其进行了严格、详细的测试。其中包括驻波的模拟实验，卷波的破碎模拟实验和一组ISOPE的官方测试(Official Benchmark)模拟实验。测试结果表明，该模式具有较完善的造波和消波能力，极好的非线性模拟能力，极佳的计算精度和稳定性，能够较好的满足数值实验的实际需要。 为检验该数值波浪水槽的实用性，对其进行了若干应用试验，以便显示该水槽在波动实验中的应用潜力，并期望能在海洋混合过程及其机理研究中获得应用。其中一项实验是将两层水槽相互耦合，给出模拟界面波的具体方案，实现界面波的模拟尝试。实验证明，在线性框架下该模式是稳定的，但在非线性模拟中却出现了由边界角点引起的弱不稳定现象，必须对模式作进一步修改，为此同时提出了以消波器消除该角点影响的限制性解决方法。另一项实验是借用地形的往复运动产生的波动，模拟往复流中由地形激发的波动现象，找到了往复流地形波与往复频率和地形高度之间的初步关系，发现了由地形引起的高频不稳定和破碎现象并给出了初步的解释。 第二部分根据本人协助导师所作的相关工作，对当前国内外的浪流相互作用研究进展做了系统的回顾，针对海浪对海流的大尺度驱动作用进行了有意义的探索。 在流对浪的作用讨论中，依据波动的射线理论和由变分原理导出的波作用量守恒定律，阐明了稳定波场波数矢量的无旋条件与费马原理的等价性，扼要讨论了背景流场影响海浪的运动学效应和动力学效应，首次指出水位(包括天文潮位与风暴潮位)变化对海浪成长与消衰的影响，为流浪潮联合数值模式的发展提供必要的理论依据。在浪对流作用的讨论中，系统的阐述了海浪在地转作用和粘性条件下所产生的各种作用力，详述了它们的生成机制，并定性的分析了相应的波生流，同时，首次提供了地转条件下浪致雷诺应力张量的完整表达式，为实现海流模式与海浪模式的并行数值计算提供了一种简便的途径。 二维数值波浪水槽模式的建立和应用 在前人有关海浪波生作用力研究工作的基础上，依据f平面近似下线化无粘流 体运动方程的一般形式，并考虑地转角速度水平分量的作用，首次给出真正地转意 义下均匀水底上的小振幅波动解。由此解导出的波生切应力包括波向与横向两个分 量。依地转波生应力和虚拟波生应力计算了海面上波生总应力与风应力的比值，大 致估计了该应力在我国海域环流研究中的重要性。 最后，在上述研究的基础上对海浪的横向彻体切应力进行了定量的具体分析。 使用风浪经验公式和风浪传入近岸的小振幅波动理论，计算并分析了地转条件下波 生横向彻体切应力随风速、风区、水深等因素的变化规律;将其与定常Ekman漂流 中的风生湍粘性力的比较表明，在中、高纬度的通常海况下两者具有相同量级，从 而强调在风生漂流研究中必须考虑由地转引起的波生横向彻体切应力。