波生沿岸流数值模拟.pdfVIP

第24卷 第 2期 水 科 学 进 展 Vo1．24．No．2 2013年 3月 ADVANCES IN WATER SCIENCE Mal．，2013 波生沿岸流数值模拟 房克照 ，刘忠波 ，邹志利 ，孙家文 ，尹继伟 (1．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 ，辽宁 大连 116024；2．国家海洋环境监测 中心 ，辽宁 大连 116023) 摘要 ：为了更好地研究近岸海域波生沿岸流 ，建立 了基于高阶Boussinesq水波方程 的波生沿岸流时域数值模型。控 制方程在中等水深范围内具有较好的色散性和变浅作用性能，同时具有二阶完全非线性特征，适合描述近岸区域 波浪强非线性运动。通过采用松弛造波方法实现了非线性波浪的无反射入射，采用周期性侧边界条件模拟开敞边 界。通过数值试验，讨论了模型中主要参数对数值结果的影响。利用率定后的参数模拟了均匀坡度海岸上产生的 沿岸流，通过和实验数据的对 比验证了模型的准确性和适用性。利用模型数值模拟了不同波浪入射条件 (包括周 期 、波高和波浪入射角度)对波生沿岸流 的影响 。 关键词 ：Boussinesq水波方程 ；数值模拟 ；波浪破碎 ；沿岸流 中图分类号 ：0353．2 文献标志码 ：A 文章编号 ：1001 791(2013)02—0258-08 当斜向传播波浪发生破碎时，在沿海岸线方向会驱动周期平均水流运动现象，即沿岸流。它是近岸水域 污染物输移和泥沙运动的主要动力，对近岸生态环境以及海岸地貌的演变具有十分重要的影响，在当前海岸 生态环境和海岸侵蚀问题 日趋严峻的形势下 ，近岸波生沿岸流的研究长期 以来一直是活跃的研究领域，受到 众多学者关注 。 当前 ，用于模拟近岸波生流的数值模 型可分为两类 ，一类为波浪时均模 型，一类为波浪时域模 型。 前者将流体运动方程在波浪周期上进行平均 ，求解时均方程直接得到波生流场 ，而波浪则通过相应的波浪理 论或模型，应用辐射应力概念进行考虑，这类模型比较多见 。第二类模型，则直接针对波浪运动进行求 解 ，将结果在多个波浪周期内平均得到波生流场 ，Boussinesq类波浪模型 为第二类模型 的典型代表。这 两种模型各有优缺点，前者计算速度快 ，但不能充分考虑波流相互作用 ，仅通过辐射应力不能充分考虑短波 (波浪)尺度效应，如波浪非线性以及波浪．波浪之间的非线性相互作用等 ；后者计算速度相对较慢，但实现 了波浪运动同水流运动的完全耦合求解 ，更能准确地反映近岸区域波流共存这一显著特征 。 Boussinesq水波理论的发展和计算能力的增强，使其逐渐成为模拟沿岸流的有力工具 ，基于这些模 型的数值模拟研究工作取得了重要 的成果 ，但在某些方面仍需要进一步研究。首先 ，近岸区域波浪运动非线 性特征明显 ，在数值模拟过程中，充分考虑非线性特征具有重要 的意义 ，而具有完全非线性特征 的模型较 少 ，主要有 Chen等 发展的模型 FUNWAVE2D以及李绍武和连怡贞 ¨建立的模型。其次，Boussinesq类水 波方程种类繁多 ，具有不同的表达形式 ，性能也不尽相同。相对而言 ，用于波生流模拟的Boussinesq水波方 程类型还比较少 ，主要是以波面和某水深处速度表达的方程 ’ 以及以波面和通量表达 的方程 川 ，其他形 式的Boussinesq方程在近岸波生流模拟时的表现 (包括精度和适用性等)仍需探讨。此外 ，Boussinesq类波生 流模型多通过近似方法处理波浪破碎 、海床底部摩擦等在近岸区常见的现象，势必引人诸多参数 ，参数 的选 取对数值结果的影响仍需要进一步分析。 本文基于已有研究基础” ，进一步发展 了基于高阶 Boussinesq水波方程的近岸波流相互作用数学模型。 收稿 日期 ：2012—05—28；网络 出版时间：2013—02-02 网络出版地址 ：http：／／www．cnki．net／KCMS／detail／32．1309．P1646．013．html 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目；国家海洋局海域管理技术重点实验室资助项 目(201206)