孤立波作用下边界层的模拟与分析.pdf

第13卷 第4期 中国水利水电科学研究院学报 Vol.13 No.4 2015年8月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research August，2015 文章编号：1672-3031（2015）04-0254-07 孤立波作用下边界层的模拟与分析 1，2 1，2 2，3 张 健 ，刘昭伟 ，包洪福 （1. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 2. 清华大学 水利水电工程系，北京 100084；3. 中国长江三峡集团公司，北京 100038） 摘要：孤立波作用下的边界层内的剪切力以及涡量变化对海啸传播和海底地形塑造十分重要。本文基于多区域谱 方法，利用直接模拟（DNS）数值模型，对在具有矩形断面的U形水洞内的孤立波下的边界层流动进行了模拟。将 数值模拟结果与解析解以及试验结果进行了对比，发现数值结果与后两者吻合得较好。模拟结果显示，在低雷诺 数下，扰动不会改变流态，而随着雷诺数的增大，流态会变得十分复杂。中等雷诺数情况下，边界层内会产生正 向的涡，并进行稳定的传播。在较高雷诺数情况下，流动进入层流向紊流发展的过渡期，此时边界层内会产生正 涡以及负涡，并会在水深方向进行不规则运动。 关键词：孤立波；边界层；剪切力；涡管 中图分类号：TV139.2 文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.2015.04.003 1 研究背景 海啸波进入大陆架浅水区时，会受到水深急剧变化的影响，从而能量瞬时集中，波高骤然增 大。在这一过程中非线性作用突显，传统线性Stokes波浪理论已不再适用，需要采用孤立波模型对其 进行研究。在高雷诺数假设下，远离水底的水体内黏性作用很小，可忽略不计，因而可以利用有势 流动的解析方法进行分析。但海啸波的长时间、长距离传输过程则会对其进行精确预测产生非常明 显的负面作用，如传播过程中的阻力影响难以估算、边界层分离影响程度等等。因而需要利用孤立 波模型对这些问题进行进一步的探究。 通过假设孤立波作用下边界层内流动为层流状态，可以对这一问题进行理论分析。例如，Liu ［1］ andOrfila利用势流理论推导了瞬时长波传播时，边界层内的流速分布以及剪切力分布的解析解。 Liu等通过迭代的方法对边界层内非线性的流动方程进行求解，发现非线性方程结果与线性方程结果 ［2］ 相差很小，得到了在一定情况下可以只考虑线性项在边界层内的影响的结论。 除理论分析外，数值模拟也是对边界层进行探究的有效手段。VittoriandBlondeaux利用RANS方 法对在自由表面的孤立波作用下的底部边界层进行模拟。结果显示在减速期、波高大于某一临界值 情况下会出现紊动现象，该临界值与边界层厚度与当地水深之比有关，而且边界层内剪切系数与多 ［3］ 种参数有关 。SuntoyoandTanaka同样利用RANS方法对孤立波边界层问题进行探究，采用BSLk - ω 紊流模型计算线性化后的边界层方程。模拟结果显示随着雷诺数的增加，紊动能以及底面剪切力 会随之增加，但反向剪切力的峰值却会减小。在完全发展的紊流状态下，边界层内剪切力与边界 层外紊动扩散所产生的速度同时产生，而且反向剪切力峰值同样减小，这一结论对近岸泥沙输移 ［4］ 影响巨大 。 利用试验可以对理论分析和数值计算进行验证。Liu等在波浪水槽中进行了一系列孤立波下边界 层速度场测量试验，试验中孤立波由活塞式造波机产生，并利用PIV对速度场进行测量。试验条件下 收稿日期：2015-04-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目；“十二五”国家科技支撑计划（2013BAB05B05，2010B