聚焦波群在斜坡上传播与演化的数值模拟研究

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在真实海域环境中,波浪聚焦是导致非线性极端波浪的主要机制之一。这种非线性聚焦波群(即聚焦机制产生的波)的演化以波面形状和运动学为特征,受海底地形的显著影响。由于近岸地区地形一般为倾斜角度较缓的斜坡,因此研究聚焦波群在斜坡地形上的传播和演化具有重要的理论和实用价值。本文通过数值模拟对聚焦波在斜坡地形上的传播和演化过程进行研究。基于势流理论和时域高阶边界元方法,建立了二维完全非线性数值波浪水槽模型,在自由表面上满足完全非线性运动学条件和动力学条件。采用混合欧拉-拉格朗日法对水质点运动轨迹进行瞬时跟踪,采用四阶龙格-库塔法对下一时刻的自由表面和速度势进行更新。聚焦波是在入射源边界上设定二阶斯托克斯波理论速度,并根据波聚焦原理使组成波在预先设定的位置和时间上聚焦而产生的。本文通过改变斜坡地形的倾斜角度和入射波幅,研究发现聚焦波峰值随着斜坡角度的增加而减小,实际聚焦位置和聚焦时间随着斜坡角度和入射波幅值的变化均在一定程度上偏离了理论值,且均有所滞后。当初始聚焦位置预先设定在斜坡地形起始处时,聚焦波中各高阶谐波成分的自由面表面和波能均小于平底地形下对应的值。然而,当聚焦位置预先设置在斜坡地形的后部时,得出的结论正好相反。而这两个聚焦位置情况下,聚焦波的线性成分的波面和波能均在平底地形上大于斜坡地形对应的值。通过对能量各个分区的沿程演化的研究,发现斜坡的存在有利于能量从低频到高频的转换。最后研究了聚焦波的七个特征波参数的沿程演化情况来分析斜坡地形对聚焦波各项特性的影响规律。
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