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近岸浪—流耦合物理机制及其应用研究

李锐  
【摘要】:近岸海流会受到海浪的影响,而流场和水位的改变也会反过来影响海浪,因此在对近岸海浪和环流进行数值模拟时,考虑浪-流相互作用,将海浪模式与海流模式耦合计算,比单独运行一个模式能得到更准确的模拟结果。然而,对浪-流耦合物理机制的研究还并不成熟,耦合模型在波生流和风暴潮模拟方面的应用,也有待继续研究。 在浪-流耦合研究中,辐射应力是一个重要的物理机制,它反映了波浪运动产生的剩余动量通量,其垂向积分的形式被广泛应用在求解波浪增水、裂流等方面。近年来有众多学者开始研究辐射应力的垂向分布结构,并提出了各自的理论,然而这些理论之间存在较大差异,对这些理论缺乏客观的比较与评价。为了比较现有的辐射应力理论,本研究利用计算流体动力学软件ANSYS FLUENT建立数值水槽,模拟波浪在水槽中的运动,并利用软件输出的水质点速度和压强数据计算垂向积分的辐射应力,计算结果与利用Longuet-HigginsStewart(1964)理论计算的结果接近。利用水槽数据计算辐射应力的垂向分布,发现辐射应力在波峰至波谷区域存在一个极大值,当把该区域的辐射应力积分为一个表层应力时,发现其与表层以下的辐射应力不连续;通过与现有理论比较,发现根据Xia等(2004)和Zhang(2004)的理论计算出的辐射应力在垂向上是连续的,与水槽结果不一致;Mellor(2008)采用狄拉克函数表示表层辐射应力,其理论与水槽结果符合较好。 除了辐射应力,还有学者提出用涡度力这一机制反映浪-流相互作用,另外,波浪破碎引起的卷浪效应对于辐射应力和涡度力都有影响。为了研究采用不同辐射应力、涡度力以及考虑卷浪效应对波生流模拟的影响,将三种辐射应力理论、一种涡度力理论以及卷浪效应植入SWAN-POM浪-流耦合模型中,并用其模拟以往的波生流实验。发现采用辐射应力理论和涡度力理论计算出的波浪增水基本一致,且与观测符合较好。在流场方面,使用Longuet-HigginsStewart(1964)提出的辐射应力理论计算出的流速基本为0,与观测符合较差,在加入卷浪效应后,模拟结果与观测符合程度得到提高;在波数与水深的乘积kD较小时,采用Xia等(2004)的辐射应力理论模拟的波生流方向与观测相反,加入卷浪效应对其改善不大,在kD较大时,采用其理论并加入卷浪效应模拟的波生流与观测符合较好;采用Mellor(2008)的辐射应力理论,或采用涡度力理论模拟出的流场结构与观测符合都较好,但量级偏小,加入卷浪效应后,两种方法模拟出的波生流流速量级增大,与观测符合较好。 在近岸如果存在沿岸变化的海底突起(如潜堤),会导致波浪破碎在空间上分布不均匀,进而形成较强的离岸流,也叫裂流。裂流对海滨人身安全和泥沙输运有重要影响,但是却难以对其预报。本研究利用REF/DIF1-SHORECIRC浪-流耦合模型设计了一系列数值敏感性实验,以探索入射波与裂流的关系,发现裂流强度与入射波波高、周期成正比,与水深成反比,同时还受波浪破碎位置影响。利用潜堤向海边缘处的波高计算实验中的无量纲波高,发现其与无量纲裂流流速呈线性关系,并且该关系与以往的观测数据符合较好,为根据波浪要素预测裂流强度奠定了理论基础。利用耦合模型设计比较实验,发现潜堤与岸线之间的次级环流主要由穿过裂流槽的波浪在岸线附近破碎所致,次级环流的存在增大了供给流强度,但对裂流影响不大。此外,次级环流的沿岸流强度与潜堤和岸线之间波高梯度的沿岸变化成正比。 在对风暴潮进行数值模拟时,除了辐射应力等物理机制,模式区域的变化也会影响计算结果,如何在保证计算精度的前提下,选取尽量小的模式区域以节省计算机时,是风暴潮业务化预报的问题之一。在本研究中设计了一系列数值敏感性实验,以研究在不同台风参数和地形设置条件下,风暴潮最大增水随模式区域的变化情况,发现随着模式区域的增大,最大增水的计算结果呈现先增大后保持不变的趋势,针对该变化趋势,选取5%相对误差对应的模式区域为“截断区域”,当模式区域大于截断区域时,认为最大增水的计算结果就不再随模式区域的变化而发生改变。数值实验结果显示,台风强度的变化对截断区域基本没有影响,然而,截断区域会随台风最大风速半径增大而增大;在台风垂直于岸线登陆的时候,截断区域与移动速度成正比,与底地形坡度成反比;截断区域对于台风登陆角度的变化较敏感;当大陆架宽度增大时,截断区域先增大,然后保持不变。考虑到在不同风场与地形条件下截断区域复杂的变化情况,采用以台风最大风速半径和登陆方向为变量的极坐标图指示不同台风情况下可使用的最小计算区域,以为模式工作者作参考。最后,使用不同的计算区域,模拟了飓风Charley (2004)引起的风暴潮。结果显示,大区域的模拟结果与观测符合较好,计算出的截断区域大小与理想实验结果较为接近。


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