【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋工程水动力，特别涉及一种模拟强非线性波浪的方法。
技术介绍
1、波浪在从深海传播至近岸的过程中由于变浅作用非线性会逐渐增强，特别是靠近破波点的位置处，波浪的非线性ε＝ka可达到o(1)。用于描述这一过程的波浪模型有很多，比如laplace方程、navier-stokes方程、boussinesq方程以及缓坡方程。其中laplace方程由于无法考虑有旋流动，所以无法模拟波浪破碎的情况，navier-stokes方程由于形式复杂，求解效率较低，所以也没有得到广泛的应用，而常用的boussinesq方程由于无法满足精确色散性的问题，所以不能准确应用于全水深波浪的模拟。相比之下，缓坡方程由于形式简单，且自然满足精确色散性的特点，所以能够适用于对任意水深波浪的描述。传统用于描述波浪运动的缓坡方程，没有考虑波浪非线性的影响，而近些年发展的一些弱非线性缓坡方程模型也仅仅保留了二阶(最低阶)非线性项。
2、因此，发展一组完全非线性缓坡方程以描述强非线性波浪是一个需要解决的问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种模拟强非线性波浪的方法。所述方法将完全非线性缓坡方程模型应用于模拟强非线性波浪，该模型能够准确的描述波浪在斜坡上传播和破碎的强非线性特征，并且能够给出与实验结果非常接近斜坡上的各阶谐波的空间分布特征。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、一种模拟强非线性波浪的方法，包括以下步骤：
4、步骤1，
5、首先，获取待研究海域或流域的基础数据，包括水深、入射波浪特征波高、周期和波浪入射角度在内的相关信息；然后，设置模型的计算参数，包括边界条件、计算域大小、空间和时间计算步长；最后，选取合适的参数模型，包括底摩擦系数、侧向混合系数、波浪破碎参数。
6、步骤2，利用完全非线性缓坡方程模型进行强非线性波浪模拟：
7、将步骤1确定的各参数代入完全非线性缓坡方程，在所选取的波高、周期内进行强非线性波浪模拟。
8、s21，所述完全非线性缓坡方程为：
9、
10、
11、式中，t为时间，下标t表示对时间做偏导数，为水平梯度算子，u＝(u,v)为位于静水位处的水平速度矢量，η为自由表面升高，h为当地静水水深，g为重力加速度，k为波数，c＝ω/k为波浪相速度，n＝1/2+kh/sh(2kh)为波能传递效率，sh()，ch()分别表示双曲函数sinh()，cosh()；为包含有水底坡度的线性项，其中和分别为含有一阶水底坡度和二阶水底坡度和的项；和ns为包含水底坡度的非线性项，和nh则为不包含水底坡度▽h的非线性项。
12、nh和ns的表达式如下：
13、
14、
15、
16、
17、
18、
19、式中，a1-a8和b0-b11均为系数，它们的定义为：
20、
21、
22、
23、
24、
25、
26、和
27、
28、
29、
30、
31、
32、
33、
34、
35、其中，
36、
37、
38、
39、
40、
41、经过数学运算可得a1-a8和b0-b11的最终表达式如下：
42、
43、
44、
45、
46、
47、和
48、
49、
50、
51、
52、
53、
54、
55、式中，为无量纲静水水深，为无量纲自由表面升高，和sh()，ch()，th()分别表示双曲函数sinh()，cosh()，tan()。
56、s22，上述方程(1)-(2)应用于实际海浪的模拟，还需要考虑包括水底摩擦、波浪破碎、湍流混合作用、波浪生成、波浪爬坡等在内的物理现象。方法(见实施例2)分别是通过在方程中加入水底摩擦项、波浪破碎项、湍流混合项来考虑水底摩擦、波浪破碎以及湍流混合作用的影响，通过加入内部造波源项来模拟波浪生成，通过应用窄缝法来模拟海岸动边界，最终实现该方程对强非线性波浪的模拟。
57、本专利技术的优点和有益效果是：
58、1、本专利技术所述模拟强非线性波浪的方法中，将完全非线性缓坡方程模型应用于模拟强非线性波浪，该模型能够准确的描述波浪在斜坡上传播和破碎的强非线性特征，并且能够给出与实验结果非常接近斜坡上的各阶谐波的空间分布特征。
59、2、由于本专利技术模型推导中采用的水平速度表达式是精确到一阶水底坡度的，即表达式中含有的第2、3项，而前人的模型推导中均忽略了该项的影响，所以当前模型中包含有高阶水底坡度项和这使得模型能够准确预报波浪在复杂地形上的传播特征。
60、3、本专利技术所述的完全非线性缓坡方程，在推导过程中仅对含有坡度项的部分采用了势流理论，所以方程能够考虑破波带内的有旋流动，即能够模拟波浪破碎后的涡运动。
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1.一种模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，步骤2中利用完全非线性缓坡方程进行模拟计算时，要考虑水底摩擦的物理现象，针对该现象对模型动量方程的右端加入水底摩擦项，具体求解过程为：
3.根据权利要求1所述模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，步骤2中利用完全非线性缓坡方程进行模拟计算时，要考虑波浪破碎的物理现象，针对该现象对模型动量方程的右端加入湍流混合项和波浪破碎能量耗散项，具体求解过程为：
4.根据权利要求1所述模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，步骤2中利用完全非线性缓坡方程进行模拟计算时，要考虑波浪生成的问题，针对该问题对模型进行内部造波处理，具体处理过程为：
5.根据权利要求1所述模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，步骤2中利用完全非线性缓坡方程进行模拟计算时，要考虑海岸动边界上的波浪爬坡现象，针对该现象对模型进行海岸动边界进行窄缝法处理，具体求解过程为：
【技术特征摘要】
1.一种模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，步骤2中利用完全非线性缓坡方程进行模拟计算时，要考虑水底摩擦的物理现象，针对该现象对模型动量方程的右端加入水底摩擦项，具体求解过程为：
3.根据权利要求1所述模拟强非线性波浪的方法，其特征在于，步骤2中利用完全非线性缓坡方程进行模拟计算时，要考虑波浪破碎的物理现象，针对该现象对模型动量方程的右端加入湍...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐杰，季则舟，尤再进，王召伟，闫圣，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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