礁坪上波浪布拉格共振特性的数值模拟研究

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随着珊瑚礁上工程活动的日益增多,相应的防浪问题也日显重要。相比传统的防波堤,基于布拉格共振原理的系列消浪潜堤,其建设和维护成本较低,且不影响海水交换和海岸景观,生态环境效益良好,具备在珊瑚礁海域应用的独特优势。但珊瑚礁陡变地形上的波浪传播变形较普通海岸更为复杂,通过剧烈的破碎和流态转化,礁坪上波浪往往具有极为陡峭的波面、波能不断转移等特征,其布拉格共振特性目前尚不明了。为此,本文采用激波捕捉类Boussinesq波浪模型FUNWAVE-TVD,开展珊瑚礁礁坪上不同类型波浪布拉格共振问题的数值模拟研究,相关成果可为系列潜堤在礁坪上的应用和优化提供一定的借鉴。论文的主要内容如下:
  (1)借助现有文献的物理模型试验数据,验证本文模型模拟规则波、不规则波、孤立波在珊瑚礁地形上传播变形的能力,分析模型网格精度对计算结果的影响,确定了后续数值试验合适的网格精度。同时,借助现有文献的物理模型试验和数值模拟数据,验证本文模型模拟规则波和不规则波布拉格共振的可靠性。
  (2)探究规则波在礁坪正弦地形作用下的布拉格共振效果,分析规则波波高、平均水位空间分布以及波浪形态的变化情况,以及正弦沙波振幅、个数和不同沙波形式对礁坪上规则波布拉格共振的影响。
  (3)研究礁坪正弦沙波固有频率落于涌浪波段时不规则波在礁坪上的布拉格共振效果以及沙波振幅、个数的影响,并调整沙波间距,探究沙波固有频率落于低频次重力波段时,不规则波的布拉格共振效果以及沙波振幅的影响;结果表明由于波能不断转换,正弦沙波无法对不规则波产生具有明确主频位置的布拉格共振,沙波固有频率落于次重力波段时的消浪效果比沙波固有频率落于涌浪波段时更好。
  (4)研究孤立波在礁坪正弦地形作用下的布拉格共振效果,分析孤立波面随时间的变化情况,正弦沙波振幅、个数和不同沙波形式对礁坪上孤立波布拉格共振的影响;结果表明类似于规则波,孤立波存在主频位置确定的布拉格共振效果,但其主频位置不随入射波改变而改变。
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