厦门湾常风浪场数值模拟研究

论文摘要

深水区的波浪在向近区岸传播的过程中,由于受到水深地形变化、能量耗散、底摩擦、水流等因素的作用,发生反射、折射、绕射、波浪破碎、浅水变形和非线性效应等现象。波浪是港口海岸工程设计中最为重要的动力因素之一,与水流的相互作用引起海底泥沙输运,不仅影响了近岸的环境变化,对浅海生产作业和海岸工程建设规划(如港口建设、河口治理、岸滩防护等)、海上输运、水产养殖、滨海企业和海洋旅游等等的建设发展也造成了很大影响。随着沿海地区社会经济的不断发展,人类海岸地活动的日趋频繁,沿海工程项目的数量越来越多,投资规模越来越大,工程项目的分险性也越来越引起人们的高度重视,这些都对近岸波浪等海洋环境要素的精确预测提出了更高的要求。本文利用SWAN(Simulating Wave Nearshore)海浪模式为基础构筑厦门湾浅海波浪数值计算模式。首先设计实验方案,研究理想风场、潮位的变化、理想潮流场对波浪传播的影响,以反映风场、水深变浅导致的能量耗散以及潮位潮流场的变化对近岸波浪传播的影响。其次,将模型应用于台湾海峡风浪的数值计算,模拟了常风状态下台湾海峡内风浪的成长和传播过程,选取模拟结果作为厦门湾波浪场的模拟计算中的边界条件。最后,利用SWAN波浪模型,在厦门湾的潮流场模型计算的基础上选取7月份与10月的多年月平均风场作为盛行季风计算风场,在考虑风能量输入、白浪效应、水深诱导的波浪破碎、底摩擦、波—波相互作用的等物理作用上,计算厦门湾在潮流作用下的风浪场的成长和传播变化过程,计算结果表明:金门岛以北,受水深以及金门岛本身的阻挡影响,波高相对较小。厦门岛内侧,鼓浪屿以北水深相对较浅,属于掩蔽条件较好的区域,总体波高较小;潮位对厦门湾波浪成长的影响在0.03m以下。潮流对波浪的成长影响比较大:当潮流流向与波浪传播方向相同时,潮流减缓了波浪的成长,使得波高变小。当潮流流向与波浪传播方向相反的时候,潮流大大加速了波浪的成长,波高变大。7月份厦门湾的波浪在潮流作用下最大增幅为0.13m,最大减幅为0.08m;10月份厦门湾的波浪在潮流作用下,最大增幅为0.08m,最大减幅为0.12m。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 波浪模式研究简介
• 1.1.3 波浪模式研究回顾
• 1.1.4 波流相互作用研究回顾
• 1.2 本文主要内容
• 第二章 模式简介
• 2.1 波浪数值模型
• 2.1.1 SWAN概述
• 2.1.2 控制方程
• 2.1.3 物理过程和源项处理
• 2.1.3.1 风能输入
• 2.1.3.2 白浪破碎
• 2.1.3.3 底摩擦耗散效应
• 2.1.3.4 浅水波浪破碎耗散
• 2.1.3.5 非线性波-波相互作用
• 2.1.3.6 波浪引起的增水
• 2.1.4 数值实现
• 2.1.4.1 波传播的离散化
• 2.1.4.2 初始条件
• 2.1.4.3 边界条件
• 2.1.4.4 波-波相互作用和耗散的离散化
• 2.1.5 SWAN模型流程简介
• 2.2 潮流数值模型
• 2.2.1 潮流数值模型
• 2.2.2 潮流运动基本方程
• 2.2.2.1 控制方程
• 2.2.3 初始条件和边界条件
• 2.2.3.1 初始条件
• 2.2.3.2 边界条件
• 第三章 SWAN模型实验
• 3.1 风能量输入对波浪传播的影响
• 3.2 潮流对波浪传播的影响
• 第四章 厦门湾常风浪的数值模拟
• 4.1 厦门湾常风浪场计算步骤
• 4.2 计算海区基本概况
• 4.2.1 台湾海峡概况
• 4.2.2 厦门湾概况
• 4.3 SWAN波浪模型在台湾海峡计算验证
• 4.4 台湾海峡常风浪场模拟
• 4.5 厦门湾潮流数值模拟
• 4.5.1 模型计算范围与计算条件
• 4.5.2 潮位校验
• 4.5.3 潮流结果
• 4.6 厦门湾常风浪场数值模拟
• 4.6.1 计算区域与计算条件
• 4.6.2 常风下作用的计算结果
• 4.6.3 常风场、潮位作用下的计算结果
• 4.6.4 常风场、潮位、潮流作用下的计算结果
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢