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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:石瑞祥
研究生(外文):Shih Ruey-Syan
論文名稱:二維斷面數值造波水槽之研究
論文名稱(外文):Numerical Simulation Of The Two Dimensional Wave Generator Problems
指導教授:周宗仁周宗仁引用關係
指導教授(外文):Chou Chung-Ren
學位類別:博士
校院名稱:國立海洋大學
系所名稱:河海工程學系
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1997
畢業學年度:85
語文別:中文
論文頁數:179
中文關鍵詞:邊界元素法數值造波水槽拉氏法時間差分孤立波
外文關鍵詞:Boundary element methodNumerical wave tankLagrangian DescriptionTime stepSolitary wave
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  本研究以邊界元素法建立一模擬非線性造波問題之數值模式,以Lagrange
法描述流體運動同時配合時間差分觀念解析二維波浪之造波、傳遞與變形之問
題,於虛擬造波邊界面導入各種造波條件即可藉由此數值模式來模擬實際造波
水槽之各種造波問題,本文解析時採用活塞式造波機(piston type wave
generator)之造波條件,模擬活塞式造波機之造波過程,解析過程並考量其自
由水面之非線性條件。
  對於數值模式之穩定性及精確性問題,本文以courant係數作穩定性的判
斷準則。影響數值模式安定性之主要影響因素為時間差分間距大小及邊界上分
割元素之大小,故文中首先探討分割元素大小對數值模式穩定性與精確性之影
響,其次探討時間差分間距大小對數值模式之影響。對本數值模式之精確性,
本研究則分別以孤立波及週期波作用於等水深垂直岸壁為例,以質能保存法則
原理作數值模式精確度之檢驗;
  為探討本數值模式對模擬孤立波之妥適性,文中首先以孤立波遇直立岸壁
的溯上及波形變化之問題來加以檢證,並同時輔以水工模型試驗來比較與驗證
,經比較後得到頗為一致的結果。文中除解析孤立波行經斜坡溯上後之波形變
化外,為更進一步考量本文模式對模擬孤立波之實用性,於海底並配置潛堤以
探討潛堤對孤立波之影響,其結果並與實驗作比較,同時,為探討孤立波通過
海底斜坡自由水面之波形變化,本研究以孤立波通過任意斜坡至淺水區之分裂
問題為例作解析,與實驗結果及 Madsen和Mei 之理論解作比較,亦均獲得滿
意的結果。
 其次,為驗證本文模式對模擬週期波在任意斜坡上進行時自由水面波形之
變化的妥適性及正確性,本文以不同無因次週頻率之波浪條件造波,模擬週期
波通過任意海底底床坡度之波形變化。入射波浪經反射後並形成重複波,其結
果並與理論解及實驗值作比較,比較結果證實本數值模式具有妥通性。對於水
槽內部水分子之速度場分佈情形於文中亦加以探討,對進行波及重複波的水分
子運動亦有極佳的描述,與理論值比較後得到一致的結果。
 由上述解析之結果得知本研究所開發之數值斷面造波水槽經以水工模型實
驗及前人研究之理論解驗證後,證明本數值水槽確可用來模擬週期波及孤立波
之二維造波問題,且對將來工程之應用及作進一步開發為不規則造波水槽或三
維水槽之研究實具有參考價值。
 This study investigates a numerical simulation of two-dimensional wave makingproblem by means of boundary element method. The numerical scheme is based on the Lagrangian description together with finite differencing to the time derivative. An algorithm to generate waves with any prescribed form was also implanted in the scheme, as the pseudo boundary is assumed to represent a wave generating device. In this study, a piston wave generator is selected for simplicity, although it is clear that paddle of any desire type can be simulated.
The numerical model was first verified by studying the case of solitary wave impinging against a vertical wall. Time histories of the evolution of both solitary waves and periodical waves running up on a sloping beach with arbitrary topography and submerged obstacle are then presented. Besides, the present paper also treats the scattering problem due to solitary wave propagating from a constant water depth, over a slope and on to a shelf. Also, the distribution of velocity field within the fluid region for the case of periodical waves are shown as well.
Laboratory experiments were carried out respectively in our wave flume to testify the numerical solutions, image processing technology and facilities has being used as an way to study the deformation of the water elevations. The numerical model was confirmed with the existing laboratory experiments and theoretical solutions obtained by many researchers. When simulating, it was found that the numerical instability of the present scheme appears for some cases where the slope is mild. However, numerical simulations of the generations and deformations of waves using the present scheme indicate favorable agreement.
封面
目錄
圖目錄
表目錄
符號說明
摘要
英文摘要
第一章 前言
第二章 理論分析與數值方法
2.1 基本假設及邊界條件
2.1.1 基本假設
2.1.2 邊界上之邊界條件
2.2 積分方程式
2.2.1 基本方程式
2.2.2 積分方程式之分離化
2.3 聯立方程式之建立
2.3.1 各邊界之初值條件
2.3.2 物理量之差分
2.3.3 時間反覆計算流程
第三章 數值模式穩定性及精確度探討
3.1 數值模式之穩定性
3.1.1 模擬孤立波模式之穩定條件
3.1.2 模擬週期波模式之穩定條件
3.2 數值模式之精確度
3.2.1 模擬孤立波模式之精確度
3.2.2 模擬週期波模式之精確度
第四章 數值計算
4.1 孤立波
4.1.1 孤立波遇直立岸壁之模擬
4.1.2 孤立波行經斜坡與潛堤之模擬
4.1.3 孤立波通過海底斜坡之模擬
4.2 週期波
4.2.1 週期波遇直立岸壁之模擬
4.2.2 週期波行經斜坡之模擬
4.3 Lagrangian法描述下各節點之運動
第五章 水工模型試驗
5.1 實驗設備與佈置
5.1.1 實驗設備與佈置
5.1.2 實驗佈置
5.2 實驗條件與方法
5.2.1 週期波
5.2.2 孤立波
5.3 影像處理與資料分析
5.3.1 攝影與影像分析
5.3.2 資料拮取
第六章 結果分析與討論
6.1 孤立波之模擬
6.1.1 孤立波溯上水面波形歷時
6.1.1.1 數值與實驗結果比較
6.1.1.2 數值結果分析
6.1.2 孤立波於海底斜坡上之分裂探討
6.1.2.1 數值與實驗結果比較
6.1.2.2 數值結果分析
6.2 週期波之模擬
6.2.1 週期波水面波形歷時
6.2.1.1 數值與實驗結果比較
6.2.1.2 數值結果分析
6.2.2 水分子速度分佈
第七章 結論
參考文獻
其他
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