红树林区域的波浪传播数学模型和消波特性研究
波浪在红树林区域传播时的水动力特性是个十分复杂的问题，该问题研究对于近海、海岸工程和海岸生态恢复具有重要的理论意义和应用价值。目前红树林区域的波浪传播数学模型和消波特性研究存在以下问题：在数学模型中，针对红树林生长区域地形上的波浪破碎时的湍流运动规律鲜有考虑，忽略了不同孔隙率下的多孔介质对水流的“挤压”的作用。在红树林消波特性方面，红树林区域对波浪破碎、非线性波浪的影响和红树林多孔介质效应的认识还有待提高。 本文基于Navier-Stokes方程、两相k-ωSST湍流模型开展岸礁地形下波浪传播与破碎的两相湍流波浪数值模拟研究，基于多孔介质理论和拖曳力、惯性力原理开展红树林区域波浪传播控制方程和数学模型研究，通过数值试验对比红树林全水波浪模型与多孔介质波浪模型的模拟精度；深入探讨红树林区域对波浪破碎、非线性波浪的影响和红树林多孔介质效应。本文研究内容和工作成果如下： (1)基于Navier-Stokes方程、两相k-ωSST湍流模型开展岸礁地形波浪传播与破碎的两相湍流波浪数值模拟研究。模型考虑了波浪的湍流脉动特性，采用两相的k-ωSST湍流模型，考虑了水、气混合的密度的变化，解决了以前的单相模型中波浪动能过度产生的问题。以流体体积法(VOF)捕捉波浪自由面、在入口处使用速度边界造波、主动吸收反射波浪，在出口处通过加入校正速度边界实现主动消波。数值模拟较好体现了岸礁地形下破碎带的湍流动能主要集中在波峰位置，破碎后则主要集中在水面附近，波浪破碎前后因非线性及破碎作用引起的波能在谐波之间进行传递的过程等特征，提高了波浪在岸礁地形上的波高、增减水的模拟精度。 (2)基于多孔介质和拖曳力、惯性力原理得到红树林区域的波浪传播控制方程，建立了红树林区域的波浪传播数学模型。该模型通过孔隙率描述红树林多孔介质的空间分布，以达西流速代替实际流速处理交界面处质量和动量不连续的问题；以拖曳力和惯性力的方式体现红树林区域对波浪的动力学作用，以两相的k-ωSST湍流模型表达红树林对波浪的消浪、破碎作用中的湍流运动。对不同的波浪条件、地形和红树林的多种工况进行了验证，表明该模型对于不同类型的波浪在红树林区域的传播与衰减问题上有较好的模拟结果。在水深变浅，波高较大的情况下，波浪在红树林区域发生破碎，湍流影响显著，考虑湍流效应的模型具有更好的适用性。破碎后的波浪经过红树林区域时，波浪的非线性程度加剧，惯性力也成为影响模型对波高模拟结果的重要因素之一，影响程度随红树林的密度的增大而加强。 (3)对比分析了红树林全水波浪模型与多孔介质波浪模型的模拟精度。比较表明，基于多孔介质的红树林消浪数学模型考虑红树林区域对水流的“挤压”现象及红树林枝干对水流的反射作用的影响，更好模拟红树林区域前端的壅高增大与反射波、区域内的波高衰减、区域后的爬坡减小。当红树林的分布密度增大时，多孔介质的红树林消浪模型的模拟精度明显高于全水红树林消浪模型。 (4)从红树林区域对波浪破碎、非线性波浪的影响和红树林多孔介质效应方面深入探讨红树林的消波规律。红树林区域改变了波浪的破碎特征，其变化程度受入射波要素和红树林分布情况影响。波浪破碎后大量的波能向高阶谐波传递，红树林区域对高阶谐波的削减能力更强。在红树林多孔介质效应的影响下，波浪在红树林区域前端的反射作用加强，经过红树林区域时的衰减程度更大。红树林区域对破波后波浪的削减作用减小，但能极大地减少近底层回流的平均流速，减轻破碎带内的冲刷作用。 (5)本文以开源OpenFOAM为开发平台，编制了基于多孔介质的Navier-Stokes方程、两相k-ωSST湍流模型的红树林区域波浪传播数学模型的计算程序。与十余工况的物理模型试验对比表明该计算程序的计算结果与物理模型吻合良好。 本文建立的岸礁地形波浪传播与破碎的两相湍流波浪数学模型、多孔介质的红树林区域波浪传播数学模型提高了数值模型的计算精度，从红树林区域对波浪破碎、非线性波浪的影响和红树林多孔介质效应方面探讨提高了红树林消波规律的认识。研究成果可应用于红树林的水动力特性的理论研究和海岸地区波浪的防灾减灾的应用研究。
波浪传播;红树林区域;数学模型;Navier-Stokes方程;多孔介质;两相湍流模型
华南理工大学
博士
船舶与海洋结构物设计制造
朱良生
2020
中文
P731.22
2020-12-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）