波浪变形数值模拟研究

波浪变形数值模拟研究涉及到海洋工程、流体力学和计算流体动力学等多个学科领域。波浪变形作为海洋中常见自然现象，其研究对于工程设计、海岸保护、环境保护等具有重要的现实意义和科学价值。本文作者陈文明和潘存鸿基于纳维-斯托克斯（N-S）方程和VOF（Volume of Fluid）自由面重构技术，建立了波浪数值水槽模型，并利用二阶精度的VOF法模拟了波浪在缓坡海滩上的完整运动过程。 关键词中的“海啸”是波浪变形研究中的一个重要内容，其具有极强的破坏力，往往由水下地震、火山爆发或类似自然灾害引发。海啸到达岸边时，波高陡增，形成“水墙”，对沿海地区生命财产造成巨大威胁。因此，对海啸的波浪爬坡现象进行研究，尤其是完整过程的模拟，对于防灾减灾具有重要的实际意义。 控制方程和数值方法部分，本研究基于VOF方法求解含有自由表面的流动问题。VOF方法具有方便性和灵活性，在计算机内存和计算时间方面相较其他方法有优势，因此在波浪问题研究中得到了广泛应用。VOF方法的基础是不可压缩流体的N-S方程和连续方程。VOF方法的一个核心是通过流体体积函数F来追踪自由表面的位置和形态。F值等于单元内流体体积与单元体积的比值，从而可以利用F的导数确定自由面的方向和位置。VOF方法采用中心差分和迎风格式进行离散，并特别地对F值采用施主-受主法进行离散求解。 在计算结果与验证部分，作者使用特定的孤立波波形和速度分布函数，模拟了波浪在缓坡海滩上的运动过程。模拟过程中考虑了孤立波接近海岸时波高随水深减小而迅速增大，直至波浪破碎，并伴随着水流回落现象。通过模拟结果与实际观测或试验结果的比较，验证了所提出的数值模型和VOF法模拟的准确性。 波浪变形数值模拟研究的重要性还体现在其对实际工程问题的指导作用，比如防波堤高程的确定、波浪对工程建筑物的作用以及海岸泥沙运动等研究。通过这些研究，可以更好地理解波浪变形的机理，为工程设计和灾害预防提供科学依据。 总体来看，波浪变形数值模拟研究是一个涉及多个领域的交叉学科研究，它不仅包括理论建模和数值计算，还要求将模拟结果与实际观测相结合进行验证。通过对波浪变形机理的深入了解，可以有效地服务于海洋工程、环境保护等多个实际应用领域。