孤立波或波群誘發(fā)的港灣振蕩研究.pdf

1、港灣振蕩是一個(gè)在海岸工程領(lǐng)域中較為傳統(tǒng)且極其重要的研究方向。國(guó)內(nèi)外很多港口都觀測(cè)到了明顯的港灣振蕩現(xiàn)象，顯著地影響了港口的高效運(yùn)行和港內(nèi)船舶的系泊安全。本文首先介紹了港灣振蕩的研究背景和意義，列舉了文獻(xiàn)中所反映出來(lái)的實(shí)際港口中發(fā)生的港灣振蕩事件，總結(jié)了這些港灣振蕩的特征，并系統(tǒng)地闡述了前人關(guān)于港灣振蕩的研究?jī)?nèi)容。然后，介紹了本文采用的數(shù)值模型—FUNWAVE2.0，該模型是基于一組完全非線性Boussinesq方程建立的。文中介紹了數(shù)值

2、模型的控制方程、數(shù)值離散、邊界條件以及域內(nèi)造波理論。隨后，通過(guò)模擬文獻(xiàn)中呈現(xiàn)的物理模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)值模型用于模擬港灣振蕩現(xiàn)象的能力進(jìn)行了驗(yàn)證。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下進(jìn)一步的研究:
　　Sobey(Sobey,2006.Normal mode decomposition for identification of storm tide andtsunami hazard.Coastal Engineering53，289-301)在

3、其論文中提出了用于計(jì)算港口共振頻率、共振模態(tài)形狀和分解由風(fēng)暴潮和海嘯誘發(fā)的港灣振蕩各模態(tài)成分響應(yīng)幅值的正交模態(tài)分解法。作者發(fā)現(xiàn)，Sobey提出的正交模態(tài)分解法在數(shù)值處理全反射邊界條件的過(guò)程中存在不足，這將會(huì)導(dǎo)致正交模態(tài)分解法計(jì)算得到不精確的港口共振頻率和共振模態(tài)形狀。本文提出鏡像方法，對(duì)其全反射邊界條件的數(shù)值處理過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，并使用三個(gè)數(shù)值算例對(duì)改進(jìn)的正交模態(tài)分解法進(jìn)行了驗(yàn)證。雖然正交模態(tài)分解法用于計(jì)算風(fēng)暴潮和海嘯誘發(fā)的港灣振蕩各模態(tài)響

4、應(yīng)幅值是以線性理論為基礎(chǔ)的，本文使用兩組數(shù)值驗(yàn)證算例對(duì)該方法用于分離港內(nèi)在弱非線性波況下各共振模態(tài)響應(yīng)幅值的適用性進(jìn)行了研究。
　　使用正交模態(tài)分解法，分離了由孤立波誘發(fā)的狹長(zhǎng)型矩形港內(nèi)港灣振蕩各模態(tài)的響應(yīng)幅值，并系統(tǒng)地研究了不同的入射孤立波波高和不同的港口底坡對(duì)港內(nèi)相對(duì)波能分布的影響。研究表明:當(dāng)入射孤立波波高較小時(shí)，港內(nèi)的共振波能主要集中在最低的幾個(gè)共振模態(tài)，高模態(tài)僅占有很小的一部分能量;當(dāng)入射孤立波波高增大時(shí)，港內(nèi)波能在不同

5、共振模態(tài)上的分布趨向于均勻，高模態(tài)占有的波能比例增加。在本文給出的入射孤立波波高和港口底坡的變化范圍內(nèi)，對(duì)于相同的入射孤立波波高，港口底坡的變化對(duì)于港內(nèi)相對(duì)波能在各模態(tài)上的分布影響很小。
　　采用完全非線性Boussinesq模型，模擬了雙色波群引起的狹長(zhǎng)型矩形港灣內(nèi)的共振現(xiàn)象。文中提出了一個(gè)基于最小二乘法的波浪分離程序，將港內(nèi)的低頻波浪成分進(jìn)一步分解為鎖相長(zhǎng)波和自由長(zhǎng)波。進(jìn)而研究了港灣處于第一共振模態(tài)下鎖相長(zhǎng)波和自由長(zhǎng)波的波幅以

6、及它們相對(duì)成分隨著短波波長(zhǎng)的變化。為了進(jìn)行對(duì)比，也考慮了波群未能誘發(fā)港灣發(fā)生共振的情況。研究表明:無(wú)論港內(nèi)是否發(fā)生共振，鎖相長(zhǎng)波和自由長(zhǎng)波的波幅以及它們相對(duì)成分均與短波波長(zhǎng)密切相關(guān)。針對(duì)本文中所研究的港口和短波頻率的變化范圍，當(dāng)港內(nèi)發(fā)生最低模態(tài)的共振時(shí)，鎖相長(zhǎng)波波幅總是要小于自由長(zhǎng)波波幅，但是當(dāng)平均短波波長(zhǎng)大于0.66倍的港口長(zhǎng)度時(shí)，前者往往要大于后者的一半;當(dāng)港內(nèi)未發(fā)生共振且平均短波波長(zhǎng)大于0.56倍港口長(zhǎng)度時(shí)，鎖相長(zhǎng)波波幅往往要大于