波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型
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第19卷第1期 2008年1月
水科学进展
ADVANCES IN WATER SCIENCE
V01.19.No.1 Jan.,2008
波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型
郑金海1, Hajime
(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京
Mase2
210098;2.京都大学防灾研究所,日本京都府宇治市6ll—0011)
摘要:基于波作用量守恒方程建立了波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型,模型中考虑了波浪绕射的影 响和水流引起的波浪弥散多普勒效应,应用包含水流和地形影响的激破波模式计算波浪破碎的能量耗散,采用一 阶上迎风有限差分格式离散控制方程。分别计算了有无近岸流情况下单向和多向随机波浪的波高分布,考虑水流 影响的数值计算结果与物理模型实验数据吻合良好,比较分析表明,所建立的数学模型能够复演由于离岸流引起 的波高增大,可用于波流共存场多向随机波浪传播变形的模拟和预报。 关键词:波流共存场;波作用量守恒方程;多向随机波浪;数学模型;波浪传播变形 中图分类号:P731.22;0242.1 文献标识码:A 文章编号:100l。6791(2008)01.00r78—06
在河口海岸地区,波浪和各种不同特性的水流,如潮流、径流、波致近岸流等,常是同时存在的。已有研
究表明,水流与地形对波浪在近岸地区传播变形的影响具有同等的重要性u'2J。而且‘,波浪具有三维方向谱形
式,在水流的影响下波浪场的变化非常复杂。本文从波作用量守恒方程出发,建立了波流共存场中多向随机波
浪传播变形数学模型,并与港池物模实验成果进行对比分析。
swAN模型是基于波作用量守恒方程的波浪模型中应用最为广泛的一种,Ris等通过荷兰确esche zee鼬t海
域涨潮流场中6个波浪站和逆流情况下的波浪水槽实验5个测点的资料验证了模型的可靠性∽J。然而,M鹊e等 应用SWAN 40.41版计算裂流影响下的波浪传播计算中,发现在裂流的外侧也出现了波高增大的区域,这与 Liu应用缓坡方程H J、Y00n和Liu应用Boussinesq方程b J以及M鹳e等应用波作用量守恒方程怕1计算得到的波高 分布有很大的差异,说明SWAN模型在波流共存场的波浪计算中还需要更多资料的验证。而Mase等的模型[7 J 中,存在三方面不足,一是以相对水深作为判别指标忽略了大波数分量的计算;二是为了计算稳定人为设定波 能谱零阶矩与二阶矩之比小于100而不适于长波的计算;三是对于如河口或建有防波堤的水域无法给出正确的 计算结果。笔者通过改进程序设计弥补了这些不足,采用一元二次方程的算法直接求解考虑D叩pler效应的波
浪弥散关系,从而避免用相对水深作为判别指标的做法;修正了能谱计算模块中的错误,使模型能计算长波的
情况;将复杂地形和海工建筑物的边界信息作为外部输入文件程序,代替通过虚实结合进行信息传递的做法。 然而,文献[6]所应用的是结合考虑海底坡度的改进Miche碎波指标和假设波浪破碎前后均符合Rayleigh分布的 方法计算波能耗散,这个方法并未经过实验资料的检验。考虑到波浪破碎引起的能量耗散是影响近岸地区波浪 场计算结果的主要因素之一,本文选用经实验验证的包含了水流和地形影响的激破波公式"]计算波浪破碎引起 的能量耗散。
收稿日期:2007.03.22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50509007);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCEl二cr7—0255);河海大学科技创新基金 联合资助项目(20134()6()92) 作者简介:郑金海(1972一),男,福建莆田人,教授,博士,主要从事港口航道与海岸工程的教学和科研工作。 E?mail:jhzheng@hhu.edu.cn
第1期
郑金海、H8jime Mase:波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型
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1
数学模型
基本方程 在波流共存场中,考虑绕射影响的多向不规则波的波作用量守恒方程可表示为
1.1
掣+掣+掣:嘉[(ccgcos2…,一丢cc—s2臼%】-£6Ⅳ —F+—瓦一+—丽一2万【L LLgc08。∥』…y,y一虿乙Lg008‘∥,V"J-860V
c;=cgcos口+u c7=cgsinp+y
(1) tI J
式中
Ⅳ为波作用量,为波能与相对角频率之比[8],它是频率和波向的函数;芹为确定绕射影响的系数,这一
项是Mase从Radder的抛物型波浪方程[9】出发推导得到的考虑波浪绕射显式表达式,并建议圮取小于15[10];C
和q分别为波速和群速;£6为波浪能量耗散系数;c¨c,和c口分别为戈、y和口方向的波速:
(2) (3) (4)
G=面最面(sin臼碧一c。s目鸶)+c枷sin日箦一c。s2口筹+sin2曰筹一sin‰s口雾
式中 u和y分别为戈和y方向的水流流速;矗为波数;^为水深;盯为相对角频率,根据弥散关系,有 仃2=g忌tanh(尼h) 考虑水流影响下波浪弥散关系的D叩pler效应,绝对角频率为
cD=仃+蠡Ucos口+庇ysin日
(5)
(6)
1.2波浪破碎的能量耗散系数 nmnton和Guza采用经验的权重函数计算破碎后的波高概率分布,结合激破波模式提出波浪破碎引起的能 量耗散公式【11I,公式可以适用于复杂的沙坝地形而得到广泛的应用。然而,由于公式仅仅是局部水深的函数, 所以不能考虑水流影响下的波浪破碎情况。Chawla和Kirby在权重函数中引入波陡度建立了考虑水流影响的随 机波浪总能量耗散表达式,通过一维波浪谱模型模拟了强逆流作用下随机波浪的破碎,计算结果和实验数据吻
合很好[7l。他们提出的计算公式[7]为
c虮纛侣焉(淼陋{1-【t+(意薪汀5疋)’
86
㈣
式中
(D)为波浪破碎引起的总能量耗散量;i为平均波数;日,。为均方根波高,参数』9和y分别取0.4和
0.6;lD为水体密度;g为重力加速度。 于是,式(1)中的波浪破碎能量耗散系数e。可写成
2雨两:而
L』Dg月一/石J仃
(D)
¨J
,n、
式中d为平均相对角频率。 1.3离散格式 图1表示各变量在网格中的布置方法,其中上标;、歹和磊分别为z、y和8方向的网格数,藏、毋和船分别为 戈、1,和口方向的步长,n为频率分量。
采用一阶上迎风格式离散波作用量守恒方程,对于某一频率分量,式(1)左边第一项可写成
a(c;Ⅳ)
一
胪《‘+1’且一Ⅳ(‘一1)批c少
a戈
(9)
同样,可以写出式(1)左边其他两项的差分格式。经整理,式(1)的差分方程可写成 A1Ⅳ游+A2.7、『。(卜1)‘+A3Ⅳ(,+1)‘+A4Ⅳ#(‘一1’+A5Ⅳ可‘‘+¨:一曰J7\,(‘一1)辟 (10)
式(10)可以采用Gauss.sizel方法来求解,其中系数A1、A2、A3、A4、A5及B分别为
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水科学进展
第19卷
cg‘川’/阳
(谬≥o,c5‘㈨’≥o)
(c扩≥o,c2(川’<o)
扯掣∥+{≤?窭》
一甜/踟
A正=
0
(甜‘川)一甜)/阳
一c蛩,酾
(谬<o,c;‘川’≥o)
(c扩<o,cg‘川’<o)
A:={一c?渺 {兰耋三:;;A。={辞。,+0)。/酚
(甜≥o,cg‘川’≥o) (甜≥o,cg““’<0)
f A5
o
c尹≥o)
(G哥<o)
(甜≥o,cg‘川’≥o) (毋≥o,c;(¨’<o) (谬<o,cg‘¨’≥o) (甜<o,cg‘¨’<o)
一甜/踟
o o
c2‘“1)/甜
2
(谚<o,c妒1)≥o)5
(谚<o,cg‘¨)<o)
1
o
【cg‘㈨’/硼
B:一C寸/8x
N‘a+1)‘
o
fq删x
』+1
M¨”名
N■
J )r
皑‘k。
l缸
Ⅳ‘a‘I)1
罐叫
o
0
图1网格中的变量布置
Fig.1【丑y0'Jt8 of va五ables in tlle cells
2计算与分析
2.1物理模型实验 物理模型实验在长38 m,宽20 m的波浪港池中进行,模型比尺为1: 125。港池的一端布置了由60块宽30 cm的推波板构成的蛇行生波机,,入
射波为B.M谱的单向和多向(s。。,=25)不规则波。岸线和海底地形如 图2所示,图中空心圆圈表示波高和流速的测量位置,水深单位为cm。 波高和流速数据分别采集400 s,截取其中的后340 s进行统计分析。
图3(a)和图4(a)分别为有效波高和波周期为7.3 cm和1.21 s的单向
和多向不规则波实验结果。由于岸线和地形的影响,波浪传至近岸后产生
很大的波生沿岸流,实验中测得的最大流速超过25 cm/s。波生沿岸流反 过来又对波浪场的分布产生影响,例如,图3(a)中出现了超过入射波高
图2物理模型水深等深线和测点布置
Fig.2 ContoIlr slines of locations of meters
wave
1.20倍的波高增大区。
2.2计算结果分析
physical
model and
current
gauges and
计算中取网格尺度为0.2m×0.2m,人射波的频谱和方向谱分别划分
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成10个和36个分量,每个网格上计算流速值取实验中测得流速的线性插值。 图3和图4分别给出单向和多向不规则波的波高分布计算结果与实验结果的对比,图中等值线表示近岸区 有效波高与入射有效波高之比。可以看出,考虑了波生流的影响后,数值计算结果才能反映出在凹岸处的波高 增大。
16
14 12 lO 8 6 4 2 O
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12 工,m
(a)物理模型实验结果
(b)考虑水流的计算结果
(c)不考虑水流的计算结果
图4 Fig.4
多向不规则波波高分布计算结果与实验结果对比
c8lculated衄d measured
wave
C响parisoIls
of
height
di舸butions
for
m枷一directional
case
图5和图6分别给出单向和多向入射波的条件下横断面(y=6.O m)和纵断面(茹=9.O m)的计算和实验结果
的比较,纵坐标是近岸区有效波高与入射波有效波高的比值。图中的实线是考虑波生流的计算结果,虚线是不 考虑波生流的计算结果。可以看出,考虑了波生流的数值计算结果与实验结果吻合很好,特别是由于强离岸流 导致的波高增大部分;而不考虑水流时,数值计算无法模拟波高增大的现象。说明为了更好地模拟和预报随机
波浪在近岸地区的传播与变形,必须考虑环境水流的影响。 图7是计算和实验有效波高的相关关系图,可以看出大部分计算结果与实验数据的误差在15%以内。统
计表明,入射波为单向随机波时平均计算误差为5.42%,计算值和实验值的相关系数为o.94;入射波为多向
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随机波时平均计算误差为7.67%,计算值和实验值的相关系数为O.92。说明本文建立的波浪数学模型在波流 共存场多向随机波浪传播变形的计算中表现良好。
图5单向不规则波典型断面计算结果与实验结果对比
Fig.5 comparisons of
calc山ted
and measured
non—nomalized
wave
heights
for luli?direcdorIal
case
0
2
0
2
弓 F
∑
2
F
∑
=
呵
≥
=
雹
F
F
蜮 七
实验Hl,,/(Hl,,)。
图6多向不规则波典型断面计算结果与实验结果对比
Fig.6 Comparisons 0f multi.direction8l calculated
case
图7计算波高与实验结果的相关关系
heights for Fig.7 Correlations cuhted between me8sured
wave
and
measured
non.no珊alized
wave
and cal一
nomaljzed
heights
4结
论
由于岸线和地形的影响,随机波浪在近岸地区会产生很大的水流,波致沿岸流又会对波浪场的分布产生影 响。为了模拟波流共存场中多向随机波浪传播与变形,本文基于波作用量守恒方程建立了考虑波浪绕射的影 响、水流引起的波浪频散多普勒效应以及水流和地形共同影响下波浪破碎能量耗散的有限差分数学模型。数值
计算结果与物理模型实验数据进行了比较分析,表明考虑水流的波浪数学模型能较好地复演由于离岸流引起的 波高增大,可以用于波流共存场多向随机波浪传播变形的模拟和预报。
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modeullg of
mlllti-directi蚰al random
wave
tr跚坞fo唧ation
in、矽aVe—current coe】i【isting water
ZHENG Jin.h8i1,Hajime
areas+
Mase2
Ⅳa可魄。210098,劬讥口;2.D厶∞把r
(1.研玩6Dr蛳可矿co∞脚D厶∞地rⅡ,ldD咖聊e,胁珧”0,鼬面凡,胁^反跏溉酊, P,吼帅t如n脑∞—娩触豇眦e,母D幻‰如,j扣t0
devel叩ed
in the waVe—current coexisting field,in which the
6ll—001l,.,如帆)
forⅡnllti—directional mn.
Abs咖ct:
dom waVe relation
current
Based upon tlle wave action b“ance equation,8 numerical predicting model is
transfomation
di胁ction
a
e能ct
and tlle Doppler shm of dispersion
are
taken into account.A bore based foⅡnul砒ion is used to paraIneterize the energy dissipation associated with coupled forwa_rd—marching first order up谪nd finite
and dept}l limited wave breaking.The goveming equation is discretized by
di£f.erence method.7Ihe wave height distribution of uni-龃d multi-directional incident without considering tIle neaIshoIe curI℃nts effbct.
mdom
waves
are
ca|culated with and
a
Results sho州’that the pI弓dictions considering the cunent ef.fect produce weU in
prefbr如le fit
model-data
WatPr
arP丑s.
to
the experimental data and
pe而nn
si眦lating
the wave
height
accretion due
to邱currents.ne砌tual
coIrlp耐sons
reVeal th砒the present model
is印plicable
for the random waves pmpagating in wave-current coexisting
Key words:waVe—cuITem coexisting areas;waVe action balance equation;multi—directional r肌dom wave;numerical model;
wave
transfb咖ation
*The study is
fmaIlciauy
supponed
by山e
National
Natu瑚Science
Foundation of
China(No.50509007)and Pro驴瑚for
New Centery Excel—
lent Talents in
ulliveIsity(NCET—07一0255).
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