近岸浪-流耦合物理機(jī)制及其應(yīng)用研究.pdf

1、近岸海流會(huì)受到海浪的影響，而流場(chǎng)和水位的改變也會(huì)反過來影響海浪，因此在對(duì)近岸海浪和環(huán)流進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，考慮浪-流相互作用，將海浪模式與海流模式耦合計(jì)算，比單獨(dú)運(yùn)行一個(gè)模式能得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。然而，對(duì)浪-流耦合物理機(jī)制的研究還并不成熟，耦合模型在波生流和風(fēng)暴潮模擬方面的應(yīng)用，也有待繼續(xù)研究。
　　在浪-流耦合研究中，輻射應(yīng)力是一個(gè)重要的物理機(jī)制，它反映了波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剩余動(dòng)量通量，其垂向積分的形式被廣泛應(yīng)用在求解波浪增水、裂流等

2、方面。近年來有眾多學(xué)者開始研究輻射應(yīng)力的垂向分布結(jié)構(gòu)，并提出了各自的理論，然而這些理論之間存在較大差異，對(duì)這些理論缺乏客觀的比較與評(píng)價(jià)。為了比較現(xiàn)有的輻射應(yīng)力理論，本研究利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS FLUENT建立數(shù)值水槽，模擬波浪在水槽中的運(yùn)動(dòng)，并利用軟件輸出的水質(zhì)點(diǎn)速度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算垂向積分的輻射應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果與利用Longuet-Higgins&Stewart（1964）理論計(jì)算的結(jié)果接近。利用水槽數(shù)據(jù)計(jì)算輻射應(yīng)力的垂向分布

3、，發(fā)現(xiàn)輻射應(yīng)力在波峰至波谷區(qū)域存在一個(gè)極大值，當(dāng)把該區(qū)域的輻射應(yīng)力積分為一個(gè)表層應(yīng)力時(shí)，發(fā)現(xiàn)其與表層以下的輻射應(yīng)力不連續(xù)；通過與現(xiàn)有理論比較，發(fā)現(xiàn)根據(jù)Xia等（2004）和Zhang（2004）的理論計(jì)算出的輻射應(yīng)力在垂向上是連續(xù)的，與水槽結(jié)果不一致；Mellor（2008）采用狄拉克函數(shù)表示表層輻射應(yīng)力，其理論與水槽結(jié)果符合較好。
　　除了輻射應(yīng)力，還有學(xué)者提出用渦度力這一機(jī)制反映浪-流相互作用，另外，波浪破碎引起的卷浪效應(yīng)對(duì)于

4、輻射應(yīng)力和渦度力都有影響。為了研究采用不同輻射應(yīng)力、渦度力以及考慮卷浪效應(yīng)對(duì)波生流模擬的影響，將三種輻射應(yīng)力理論、一種渦度力理論以及卷浪效應(yīng)植入SWAN-POM浪-流耦合模型中，并用其模擬以往的波生流實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)采用輻射應(yīng)力理論和渦度力理論計(jì)算出的波浪增水基本一致，且與觀測(cè)符合較好。在流場(chǎng)方面，使用Longuet-Higgins&Stewart（1964）提出的輻射應(yīng)力理論計(jì)算出的流速基本為0，與觀測(cè)符合較差，在加入卷浪效應(yīng)后，模擬結(jié)果與

5、觀測(cè)符合程度得到提高；在波數(shù)與水深的乘積kD較小時(shí)，采用Xia等（2004）的輻射應(yīng)力理論模擬的波生流方向與觀測(cè)相反，加入卷浪效應(yīng)對(duì)其改善不大，在 kD較大時(shí)，采用其理論并加入卷浪效應(yīng)模擬的波生流與觀測(cè)符合較好；采用Mellor（2008）的輻射應(yīng)力理論，或采用渦度力理論模擬出的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與觀測(cè)符合都較好，但量級(jí)偏小，加入卷浪效應(yīng)后，兩種方法模擬出的波生流流速量級(jí)增大，與觀測(cè)符合較好。
　　在近岸如果存在沿岸變化的海底突起（如潛堤）

6、，會(huì)導(dǎo)致波浪破碎在空間上分布不均勻，進(jìn)而形成較強(qiáng)的離岸流，也叫裂流。裂流對(duì)海濱人身安全和泥沙輸運(yùn)有重要影響，但是卻難以對(duì)其預(yù)報(bào)。本研究利用REF/DIF1-SHORECIRC浪-流耦合模型設(shè)計(jì)了一系列數(shù)值敏感性實(shí)驗(yàn)，以探索入射波與裂流的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)裂流強(qiáng)度與入射波波高、周期成正比，與水深成反比，同時(shí)還受波浪破碎位置影響。利用潛堤向海邊緣處的波高計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的無量綱波高，發(fā)現(xiàn)其與無量綱裂流流速呈線性關(guān)系，并且該關(guān)系與以往的觀測(cè)數(shù)據(jù)符合較好，為

7、根據(jù)波浪要素預(yù)測(cè)裂流強(qiáng)度奠定了理論基礎(chǔ)。利用耦合模型設(shè)計(jì)比較實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)潛堤與岸線之間的次級(jí)環(huán)流主要由穿過裂流槽的波浪在岸線附近破碎所致，次級(jí)環(huán)流的存在增大了供給流強(qiáng)度，但對(duì)裂流影響不大。此外，次級(jí)環(huán)流的沿岸流強(qiáng)度與潛堤和岸線之間波高梯度的沿岸變化成正比。
　　在對(duì)風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，除了輻射應(yīng)力等物理機(jī)制，模式區(qū)域的變化也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，如何在保證計(jì)算精度的前提下，選取盡量小的模式區(qū)域以節(jié)省計(jì)算機(jī)時(shí)，是風(fēng)暴潮業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的問題之一

8、。在本研究中設(shè)計(jì)了一系列數(shù)值敏感性實(shí)驗(yàn)，以研究在不同臺(tái)風(fēng)參數(shù)和地形設(shè)置條件下，風(fēng)暴潮最大增水隨模式區(qū)域的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著模式區(qū)域的增大，最大增水的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)先增大后保持不變的趨勢(shì)，針對(duì)該變化趨勢(shì)，選取5％相對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的模式區(qū)域?yàn)椤敖財(cái)鄥^(qū)域”，當(dāng)模式區(qū)域大于截?cái)鄥^(qū)域時(shí)，認(rèn)為最大增水的計(jì)算結(jié)果就不再隨模式區(qū)域的變化而發(fā)生改變。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化對(duì)截?cái)鄥^(qū)域基本沒有影響，然而，截?cái)鄥^(qū)域會(huì)隨臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑增大而增大；在臺(tái)風(fēng)垂直

9、于岸線登陸的時(shí)候，截?cái)鄥^(qū)域與移動(dòng)速度成正比，與底地形坡度成反比；截?cái)鄥^(qū)域?qū)τ谂_(tái)風(fēng)登陸角度的變化較敏感；當(dāng)大陸架寬度增大時(shí)，截?cái)鄥^(qū)域先增大，然后保持不變。考慮到在不同風(fēng)場(chǎng)與地形條件下截?cái)鄥^(qū)域復(fù)雜的變化情況，采用以臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑和登陸方向?yàn)樽兞康臉O坐標(biāo)圖指示不同臺(tái)風(fēng)情況下可使用的最小計(jì)算區(qū)域，以為模式工作者作參考。最后，使用不同的計(jì)算區(qū)域，模擬了颶風(fēng)Charley(2004)引起的風(fēng)暴潮。結(jié)果顯示，大區(qū)域的模擬結(jié)果與觀測(cè)符合較好，計(jì)算出的