近岸波浪传播的变形

第１３卷　２０１３笠　第８期　８月　中　国水运　Ｃｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｖｏ１．１３　Ａｕｇｕｓｔ　Ｎｏ．８　２０１３　

低频波浪在单突堤附近的传播变形研究　

冯　丽，马小舟　

（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连ｌ　１６０２４）　

摘要：文中采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ数值波浪模型，模拟了低频波浪—碎波拍在港口单突堤处的传播变形。通过与理论　

解的对比研究验证了数值模型的正确性和可靠性，同时将碎波拍与短波进行对比研究，结果表明，低频波浪在单突　

堤后的绕射系数大于短波的情况，而在堤前的反射系数的最小值和部分位置处的极大值高于短波情况。　

关键词：低频波浪；Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ波浪模型；单突堤；绕射系数；反射系数　中图分类号：Ｕ６１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１３）０８—０１５８—０５　

一、引言　在近岸水域，周期在３０－３００ｓ之间的低频波浪（碎波　拍）是岸滩演变及影响海岸工程的动力因素。大量研究表明　

由于它们引起了诸如沿岸泥沙运动（Ｓｍｉｔｈ和Ｍｏｃｋｅ…；　

Ｈｏｌｍａｎ和ＢｏｗｅｎＩ。１；Ｙｕ和Ｍｅｉｔ。　等）和港内水面波动　

（Ｂｏｗｅｒｓ［　ｌ；Ｍｅｉ和ＡｇｎｏｎＩｓｌ等）等许多工程问题，因此对　

海岸水域低频波浪的研究具有重要的意义。　

碎波拍是近岸水域沿岸线正向传播的低频波浪，由于碎　波拍最早被发现的，因此一般定义碎波拍为这种低频波浪的　总称（如Ｂａｔｔｊｅｓ［６１等）。碎波拍最初由Ｍｕｎｋ［７１发现并命名　

之，之后ＴｕｃｋｅｒＩ剐也在碎波带外观测到了碎波拍。关于碎波　

拍的产生机制主要有两种理论：一种是Ｌｏｎｇｕｅｔ—Ｈｉｇｇｉｎｓ和　ＳｔｅｗａｒｔＩ。１应用辐射应力的概念提出的约束长波产生碎波拍　

的理论，另一种是Ｓｙｍｏｎｄｓ［１０１等等提出的碎波点的移动产　

生碎波拍的理论。　

大量研究表明，破碎拍对港口波浪和系泊船运动都有重　要作用。如日本仙台新港（Ｎａｇａｉ等＿１１１）、美国夏威夷的　Ｂａｒｂｅｒｓ　Ｐｏｉｎｔ港（Ｈａｒｋｉｎｓ和Ｂｒｉｇｇｓ［１２１）及我国台湾东部　

第２期　水利水运工程学报　Ｎｏ．２　２０１５年４月ＨＹＤＲＯ－ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ａｐｒ．２０１５　

ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９—６４０Ｘ．２０１５．０２．００４　王良才，陈永平，胡玉植．基于ＳＷＡＳＨ模型的近岸波浪传播变形数值模拟［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１５（２）：２６—３２．　（ＷＡＮＧ　Ｌｉａｎｇ—ｅａｉ，ＣＨＥＮ　Ｙｏｎｇ—ｐｉｎｇ，ＨＵ　Ｙａ—ｚｈｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｅａｒ—ｓｈｏｒｅ　ｗａｖｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ＳＷＡＳＨ　ｍｏｄｅｌ『Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ—Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５（２）：２６—３２．）　

基于ＳＷＡＳＨ模型的近岸波浪传播变形数值模拟　

王良才　，陈永平　一，胡玉植　，　

（１．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；２．河海大学港口海岸与近　海工程学院，江苏南京２１００９８）　

摘要：ＳＷＡＳＨ模型是一种新型的非静压时域波浪模拟。为了探讨ＳＷＡＳＨ模型对于解决近岸波浪传播变形问　

题的适用性，在对其控制方程、边界条件、数值解法等进行介绍的基础上，采用该模型分别模拟了正向规则波、　斜向规则波和斜向不规则波入射条件下Ｌ形防波堤附近水域的波浪场和波生流场，并与物理试验结果进行对　比。结果表明，ＳＷＡＳＨ模型较好地复演了波浪在近岸区域所发生的浅水变形、折射、破碎，以及堤前反射、堤内　绕射等物理现象，波高沿断面的定量分布与试验结果吻合良好，同时较好地模拟了不同波况下防波堤附近水域　的波生流场，说明该模型适用于复杂岸线和地形条件下波浪传播变形的数值模拟。　

关键词：Ｌ形防波堤；ＳＷＡＳＨ模型；近岸波浪；波生流；波浪传播；波浪变形　

中图分类号：ＴＶ１３９．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—６４０Ｘ（２０１５）０２－００２６—０７　

２０１３年３月　第３期总第４７７期　水运工程　Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｒ．２０１３　Ｎｏ．３　ＳｅｒｉａｌＮＯ．４７７　

■　不规则波浪在陡坡上　非线性传播变形的试验研究　于博

，董国海，马小舟　

（大连Ｙ￣．Ｚ－大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４）　

摘要：通过试验研究了不规则波浪在一陡坡（１：ｌ０）上的传播过程中的非线性特征。为达到研究目的，在试验水槽中以　ＪＯＮＳＷＡＰ谱为靶谱生成了两组随机波浪。试验结果显示，在坡前常水深区域和坡顶，两种波况下波高分布均符合瑞利分　布；但是在变浅区域两种波况的波高分布却不尽相同。应用基于小波变换的二阶相位谱来分析波浪在传播过程中的非线性　相位耦合特征，结果表明：随着水深的变浅，波浪的非线性逐渐增强并且参与非线性相互耦合的频率成份也越来越多。通　

过二阶相位谱发现：随着水深的减小，参与最强的非线性相位耦合频率向高频处移动。另外通过傅立叶频谱、二阶谱以及　二阶频谱共同分析陡坡上两组波况下低频波浪的演化情况。　关键词：不规则波浪；变浅；非线性相互作用；波高分布；小波二阶谱；低频波浪　中图分类号：Ｔｖ　１３９．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００２—４９７２（２０１３）０３—００３６—０９　

Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｗａｖｅｓ　ｏｖｅｒ　ａ　ｓｔｅｅｐ　ｓｌｏｐｅ　ＹＵ　Ｂｏ．ＤＯＮＧ　Ｇｕｏ—ｈａｉ．ＭＡ　Ｘｉａｏ－ｚｈｏｕ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏａｓｔａｌ　ａｎｄ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　ｌ　１６０２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｗａｖｅｓ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ｏｖｅｒ　ａ　ｓｔｅｅｐ　ｓｌｏｐｅ　ｆ１：ｌｏ）．Ｔｗｏ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃａｓｅｓ　ｏｆ　ｒａｎｄｏｍ　ｗａｖｅｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ＪＯＮＳＷＡＰ　ｓｐｅｃｔｒａ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｐｕｒｐｏｓｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｈｅｉｇｈｔｓ　ｉｎ　ｔｗｏ　ｃａｓｅｓ　ｏｂｅｙ　ｔｈｅ　Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｂｏｔｈ　ａｔ　ｔｈｅ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｎ　ｔｏｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ，ｂｕｔ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｈｏａｌｉｎｇ　ｒｅｇｉｏｎ，ｔｈｅｙ　ｂｅｈａｖｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｐｈａｓｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｗａｖｅｓ　ｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｌｅｔ——ｂａｓｅｄ　ｂｉｃｏｈｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｂｉｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈａｔ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｈｏａｌｉｎｇ　ｒｅｇｉｏｎ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｐｔｈ，ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｅｓ　ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｉｎｃｒｅａｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｅｎｈａｎｃｅｓ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｓｕｍｍｅｄ　ｂｉｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｓｈ０ｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ　ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ　ｓｈｉｆｔｓ　ｔｏ　ｈｉｇｈｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｐｔｈ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ　ｈｏｗ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｂｙ　

文章编号:１００５￣９８６５(２０２０)０２￣０１１１￣０９

基于ＧＰＵ加速的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ类波浪传播变形数值模型

孙家文１ꎬ２ꎬ朱　桐１ꎬ房克照１ꎬ刘忠波３

(１.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室ＤＵＴ￣ＵＷＡ海洋工程联合研究中心ꎬ辽宁大连　

１１６０２４ꎻ２.国家海洋环境监测中心ꎬ辽宁大连　１１６０２３ꎻ３.大连海事大学交通运输工程学院ꎬ辽宁大连　

１１６０２６)

摘　要:Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ波浪模型是一类相位解析模型ꎬ在时域内求解需要较高的空间和时间分辨率以保证计算精度ꎮ为提高计算效率ꎬ有必要针对该类模型开展并行算法的研究ꎮ与传统的中央处理器(ＣＰＵ)相比ꎬ图形处理器(ＧＰＵ)有大量的运算器ꎬ可显著提高计算效率ꎮ基于统一计算设备架构ＣＵＤＡＣ语言和图形处理器ꎬ实现了Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ模型的并行运算ꎮ将本模型的计算结果同ＣＰＵ数值模拟结果和解析解相比较ꎬ发现得到的结果基本一致ꎮ同时也比较了ＣＰＵ端与ＧＰＵ端的计算效率ꎬ结果表明ꎬＧＰＵ数值模型的计算效率有明显提升ꎬ并且伴随数值网格的增多ꎬ提升效果更为明显ꎮ关键词:Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程ꎻ图形处理器ꎻＣＵＤＡＣꎻ并行计算ꎻ计算效率ꎻ波浪传播中图分类号:Ｏ３５３.２ 文献标志码:Ａ ＤＯＩ:１０.１６４８３/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５￣９８６５.２０２０.０２.０１３

收稿日期:２０１９￣０５￣２１基金项目:国家重点研发计划项目资助(２０１７ＹＦＣ１４０４２００)ꎻ国家自然科学基金资助项目(５１５７９０３４ꎬ５１７７９０２２ꎬ５１８０９０５３)ꎻ中央高校基本科研业务费资助(Ｎｏ.ＤＵＴ１８ＺＤ２１４)作者介绍:孙家文(１９８３￣)ꎬ男ꎬ山东德州人ꎬ副研究员ꎬ博士ꎬ主要从事海岸动力学方面研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｊｗｓｕｎ＠ｎｍｅｍｃ.ｏｒｇ.ｃｎ通信作者:房克照ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｋｆａｎｇ＠ｄｌｕｔ.ｅｄｕ.ｃｎＡＧＰＵａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄＢｏｕｓｓｉｎｅｓｑｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ