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硕 士 学 位 论 文


规则波在岛礁地形上传播的 SPH 模拟
Numerical simulation of wave transformation over platform
reef using SPH method









作 者 姓 名： 张向
学科、 专业： 港口、海岸及近海工程
学 号： 21506231
指 导 教 师： 任冰 教授
完 成 日 期： 2018 年 5 月 3 日



大连理工大学
Dalian University of Technology
大连理工大学硕士学位论文
摘 要
深海岛礁的礁面非常陡峭，水深一般从礁底处的几千米急剧变化到礁缘上的几米。
波浪沿礁面发生浅水变形并在礁缘或礁坪上破碎，进而在礁坪上产生波浪增水、波生流
及次重力波等现象。深海岛礁地貌特征的不同将导致其水动力特性与大陆沿岸缓坡地形
上的岸礁有明显的差异。此外，由波浪破碎产生的波生流对于礁坪上泥沙运动、养分输
移和生物栖息也有很大的影响。因此，掌握深海岛礁相关的水动力特性，对岛礁后续的
开发和保护均具有重要的指导意义。
本文建立了一个能够较准确描述波浪在深海台礁上传播变形过程的 SPH 数值模型。
模型采用 Favre 平均 N-S 方程作为控制方程，并采用亚粒子湍流应力封闭方程。数值水
槽左右两侧边界采用周期性边界条件代替传统使用的固壁边界条件，并在水槽两端消波
层下方预留水流通道。台礁地貌概化为坡度 1:1 的斜坡和高度为 m 的水平礁坪。最
后为了验证数学模型的准确性，在非线性波浪水槽中开展了相应的物理模型试验。
SPH 模拟结果与试验数据吻合较好，说明该数值模型可以较好地重演波浪在深海台
礁上的传播变形过程以及礁坪上波高以及波浪增水的空间分布特征。在水槽左右两侧采
用周期性边界和预留水流循环通道，能够有效解决传统竖向二维数值模型中由于礁坪上
越浪引起的泻湖内水面非物理性抬高问题，大大提高计算精度。
从物理模型试验结果和 SPH 模拟结果均可以看出，由于波浪破碎，礁坪上波高迅
速衰减，在低水位时波浪在礁缘前破碎，而在高水位时波浪在礁缘后破碎。在破碎带内，
波能大量耗散，波高骤减。在破碎带外，破碎停止，重新生成的段波波高沿礁坪继续向
前传播时逐渐衰减。波浪传播至礁面时产生轻微的波浪减水，随后波浪破碎产生明显的
波浪增水现象。波浪增水高度在破波带内迅速增加，在破波带末端达到最大值，并在破
波带外的礁坪上保持大致恒定。对于靠近外海的礁坪前半部分，垂向平均流速从底边界
到静水位缓慢增加，而在礁坪后半部分，静水面以下，平均流速保持恒定，这是因为重
新生成的段波波高很小，对波生流的垂向流速分布影响很小。

关键词：台礁,波浪破碎,波浪增水,波生流，SPH



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规则波在岛礁地形上传播的 SPH 模拟
Numerical simulation of wave transf