近岸浪-流耦合物理機制及其應用研究.pdf

1、近岸海流會受到海浪的影響，而流場和水位的改變也會反過來影響海浪，因此在對近岸海浪和環(huán)流進行數(shù)值模擬時，考慮浪-流相互作用，將海浪模式與海流模式耦合計算，比單獨運行一個模式能得到更準確的模擬結(jié)果。然而，對浪-流耦合物理機制的研究還并不成熟，耦合模型在波生流和風暴潮模擬方面的應用，也有待繼續(xù)研究。
　　在浪-流耦合研究中，輻射應力是一個重要的物理機制，它反映了波浪運動產(chǎn)生的剩余動量通量，其垂向積分的形式被廣泛應用在求解波浪增水、裂流等

2、方面。近年來有眾多學者開始研究輻射應力的垂向分布結(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，對這些理論缺乏客觀的比較與評價。為了比較現(xiàn)有的輻射應力理論，本研究利用計算流體動力學軟件ANSYS FLUENT建立數(shù)值水槽，模擬波浪在水槽中的運動，并利用軟件輸出的水質(zhì)點速度和壓強數(shù)據(jù)計算垂向積分的輻射應力，計算結(jié)果與利用Longuet-Higgins&Stewart（1964）理論計算的結(jié)果接近。利用水槽數(shù)據(jù)計算輻射應力的垂向分布

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

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

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

6、，會導致波浪破碎在空間上分布不均勻，進而形成較強的離岸流，也叫裂流。裂流對海濱人身安全和泥沙輸運有重要影響，但是卻難以對其預報。本研究利用REF/DIF1-SHORECIRC浪-流耦合模型設計了一系列數(shù)值敏感性實驗，以探索入射波與裂流的關系，發(fā)現(xiàn)裂流強度與入射波波高、周期成正比，與水深成反比，同時還受波浪破碎位置影響。利用潛堤向海邊緣處的波高計算實驗中的無量綱波高，發(fā)現(xiàn)其與無量綱裂流流速呈線性關系，并且該關系與以往的觀測數(shù)據(jù)符合較好，為

7、根據(jù)波浪要素預測裂流強度奠定了理論基礎。利用耦合模型設計比較實驗，發(fā)現(xiàn)潛堤與岸線之間的次級環(huán)流主要由穿過裂流槽的波浪在岸線附近破碎所致，次級環(huán)流的存在增大了供給流強度，但對裂流影響不大。此外，次級環(huán)流的沿岸流強度與潛堤和岸線之間波高梯度的沿岸變化成正比。
　　在對風暴潮進行數(shù)值模擬時，除了輻射應力等物理機制，模式區(qū)域的變化也會影響計算結(jié)果，如何在保證計算精度的前提下，選取盡量小的模式區(qū)域以節(jié)省計算機時，是風暴潮業(yè)務化預報的問題之一

8、。在本研究中設計了一系列數(shù)值敏感性實驗，以研究在不同臺風參數(shù)和地形設置條件下，風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，最大增水的計算結(jié)果呈現(xiàn)先增大后保持不變的趨勢，針對該變化趨勢，選取5％相對誤差對應的模式區(qū)域為“截斷區(qū)域”，當模式區(qū)域大于截斷區(qū)域時，認為最大增水的計算結(jié)果就不再隨模式區(qū)域的變化而發(fā)生改變。數(shù)值實驗結(jié)果顯示，臺風強度的變化對截斷區(qū)域基本沒有影響，然而，截斷區(qū)域會隨臺風最大風速半徑增大而增大；在臺風垂直

9、于岸線登陸的時候，截斷區(qū)域與移動速度成正比，與底地形坡度成反比；截斷區(qū)域?qū)τ谂_風登陸角度的變化較敏感；當大陸架寬度增大時，截斷區(qū)域先增大，然后保持不變。考慮到在不同風場與地形條件下截斷區(qū)域復雜的變化情況，采用以臺風最大風速半徑和登陸方向為變量的極坐標圖指示不同臺風情況下可使用的最小計算區(qū)域，以為模式工作者作參考。最后，使用不同的計算區(qū)域，模擬了颶風Charley(2004)引起的風暴潮。結(jié)果顯示，大區(qū)域的模擬結(jié)果與觀測符合較好，計算出的