波流共存場中多向隨機波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型
本文關(guān)鍵詞:波流共存場中多向隨機波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
第19卷第1期 2008年1月
水科學(xué)進展
ADVANCES IN WATER SCIENCE
V01.19.No.1 Jan.,2008
波流共存場中多向隨機波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型
鄭金海1, Hajime
(1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室,江蘇南京
Mase2
210098;2.京都大學(xué)防災(zāi)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場中多向隨機波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型,模型中考慮了波浪繞射的影 響和水流引起的波浪彌散多普勒效應(yīng),應(yīng)用包含水流和地形影響的激破波模式計算波浪破碎的能量耗散,采用一 階上迎風(fēng)有限差分格式離散控制方程。分別計算了有無近岸流情況下單向和多向隨機波浪的波高分布,考慮水流 影響的數(shù)值計算結(jié)果與物理模型實驗數(shù)據(jù)吻合良好,比較分析表明,所建立的數(shù)學(xué)模型能夠復(fù)演由于離岸流引起 的波高增大,可用于波流共存場多向隨機波浪傳播變形的模擬和預(yù)報。 關(guān)鍵詞:波流共存場;波作用量守恒方程;多向隨機波浪;數(shù)學(xué)模型;波浪傳播變形 中圖分類號:P731.22;0242.1 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:100l。6791(2008)01.00r78—06
在河口海岸地區(qū),波浪和各種不同特性的水流,如潮流、徑流、波致近岸流等,常是同時存在的。已有研
究表明,水流與地形對波浪在近岸地區(qū)傳播變形的影響具有同等的重要性u'2J。而且‘,波浪具有三維方向譜形
式,在水流的影響下波浪場的變化非常復(fù)雜。本文從波作用量守恒方程出發(fā),建立了波流共存場中多向隨機波
浪傳播變形數(shù)學(xué)模型,并與港池物模實驗成果進行對比分析。
swAN模型是基于波作用量守恒方程的波浪模型中應(yīng)用最為廣泛的一種,Ris等通過荷蘭確esche zee鼬t海
域漲潮流場中6個波浪站和逆流情況下的波浪水槽實驗5個測點的資料驗證了模型的可靠性∽J。然而,M鵲e等 應(yīng)用SWAN 40.41版計算裂流影響下的波浪傳播計算中,發(fā)現(xiàn)在裂流的外側(cè)也出現(xiàn)了波高增大的區(qū)域,這與 Liu應(yīng)用緩坡方程H J、Y00n和Liu應(yīng)用Boussinesq方程b J以及M鸛e等應(yīng)用波作用量守恒方程怕1計算得到的波高 分布有很大的差異,說明SWAN模型在波流共存場的波浪計算中還需要更多資料的驗證。而Mase等的模型[7 J 中,存在三方面不足,一是以相對水深作為判別指標(biāo)忽略了大波數(shù)分量的計算;二是為了計算穩(wěn)定人為設(shè)定波 能譜零階矩與二階矩之比小于100而不適于長波的計算;三是對于如河口或建有防波堤的水域無法給出正確的 計算結(jié)果。筆者通過改進程序設(shè)計彌補了這些不足,采用一元二次方程的算法直接求解考慮D叩pler效應(yīng)的波
浪彌散關(guān)系,從而避免用相對水深作為判別指標(biāo)的做法;修正了能譜計算模塊中的錯誤,使模型能計算長波的
情況;將復(fù)雜地形和海工建筑物的邊界信息作為外部輸入文件程序,代替通過虛實結(jié)合進行信息傳遞的做法。 然而,文獻[6]所應(yīng)用的是結(jié)合考慮海底坡度的改進Miche碎波指標(biāo)和假設(shè)波浪破碎前后均符合Rayleigh分布的 方法計算波能耗散,這個方法并未經(jīng)過實驗資料的檢驗?紤]到波浪破碎引起的能量耗散是影響近岸地區(qū)波浪 場計算結(jié)果的主要因素之一,本文選用經(jīng)實驗驗證的包含了水流和地形影響的激破波公式"]計算波浪破碎引起 的能量耗散。
收稿日期:2007.03.22 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50509007);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃(NCEl二cr7—0255);河海大學(xué)科技創(chuàng)新基金 聯(lián)合資助項目(20134()6()92) 作者簡介:鄭金海(1972一),男,福建莆田人,教授,博士,主要從事港口航道與海岸工程的教學(xué)和科研工作。 E?mail:jhzheng@hhu.edu.cn
第1期
鄭金海、H8jime Mase:波流共存場中多向隨機波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型
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1
數(shù)學(xué)模型
基本方程 在波流共存場中,考慮繞射影響的多向不規(guī)則波的波作用量守恒方程可表示為
1.1
掣+掣+掣:嘉[(ccgcos2…,一丟cc—s2臼%】-£6Ⅳ —F+—瓦一+—麗一2萬【L LLgc08!巍弧,y一蠆乙Lg008‘∥,V"J-860V
c;=cgcos口+u c7=cgsinp+y
(1) tI J
式中
Ⅳ為波作用量,為波能與相對角頻率之比[8],它是頻率和波向的函數(shù);芹為確定繞射影響的系數(shù),這一
項是Mase從Radder的拋物型波浪方程[9】出發(fā)推導(dǎo)得到的考慮波浪繞射顯式表達式,并建議圮取小于15[10];C
和q分別為波速和群速;£6為波浪能量耗散系數(shù);c¨c,和c口分別為戈、y和口方向的波速:
(2) (3) (4)
G=面最面(sin臼碧一c。s目鷥)+c枷sin日簀一c。s2口籌+sin2曰籌一sin‰s口霧
式中 u和y分別為戈和y方向的水流流速;矗為波數(shù);^為水深;盯為相對角頻率,根據(jù)彌散關(guān)系,有 仃2=g忌tanh(尼h) 考慮水流影響下波浪彌散關(guān)系的D叩pler效應(yīng),絕對角頻率為
cD=仃+蠡Ucos口+庇ysin日
(5)
(6)
1.2波浪破碎的能量耗散系數(shù) nmnton和Guza采用經(jīng)驗的權(quán)重函數(shù)計算破碎后的波高概率分布,結(jié)合激破波模式提出波浪破碎引起的能 量耗散公式【11I,公式可以適用于復(fù)雜的沙壩地形而得到廣泛的應(yīng)用。然而,由于公式僅僅是局部水深的函數(shù), 所以不能考慮水流影響下的波浪破碎情況。Chawla和Kirby在權(quán)重函數(shù)中引入波陡度建立了考慮水流影響的隨 機波浪總能量耗散表達式,通過一維波浪譜模型模擬了強逆流作用下隨機波浪的破碎,計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻
合很好[7l。他們提出的計算公式[7]為
c蟣纛侶焉(淼陋{1-【t+(意薪。雕猓
86
㈣
式中
(D)為波浪破碎引起的總能量耗散量;i為平均波數(shù);日,。為均方根波高,參數(shù)』9和y分別。埃春
0.6;lD為水體密度;g為重力加速度。 于是,式(1)中的波浪破碎能量耗散系數(shù)e?蓪懗
2雨兩:而
L』Dg月一/石J仃
(D)
¨J
,n、
式中d為平均相對角頻率。 1.3離散格式 圖1表示各變量在網(wǎng)格中的布置方法,其中上標(biāo);、歹和磊分別為z、y和8方向的網(wǎng)格數(shù),藏、毋和船分別為 戈、1,和口方向的步長,n為頻率分量。
采用一階上迎風(fēng)格式離散波作用量守恒方程,對于某一頻率分量,式(1)左邊第一項可寫成
a(c;Ⅳ)
一
臚《‘+1’且一Ⅳ(‘一1)批c少
a戈
(9)
同樣,可以寫出式(1)左邊其他兩項的差分格式。經(jīng)整理,式(1)的差分方程可寫成 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方法來求解,其中系數(shù)A1、A2、A3、A4、A5及B分別為
80
水科學(xué)進展
第19卷
cg‘川’/陽
(謬≥o,c5‘㈨’≥o)
(c擴≥o,c2(川’<o)
扯掣∥+{≤?窶》
一甜/踟
A正=
0
(甜‘川)一甜)/陽
一c蛩,釃
(謬<o,c;‘川’≥o)
(c擴<o,cg‘川’<o)
A:={一c?渺 {蘭耋三:;;A。={辭。,+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) (謬<o,cg‘¨’≥o) (甜<o,cg‘¨’<o)
一甜/踟
o o
c2‘“1)/甜
2
(諺<o,c妒1)≥o)5
(諺<o,cg‘¨)<o)
1
o
【cg‘㈨’/硼
B:一C寸/8x
N‘a+1)‘
o
fq刪x
』+1
M¨”名
N■
J )r
皚‘k。
l缸
Ⅳ‘a‘I)1
罐叫
o
0
圖1網(wǎng)格中的變量布置
Fig.1【丑y0'Jt8 of va五ables in tlle cells
2計算與分析
2.1物理模型實驗 物理模型實驗在長38 m,寬20 m的波浪港池中進行,模型比尺為1: 125。港池的一端布置了由60塊寬30 cm的推波板構(gòu)成的蛇行生波機,,入
射波為B.M譜的單向和多向(s。。,=25)不規(guī)則波。岸線和海底地形如 圖2所示,圖中空心圓圈表示波高和流速的測量位置,水深單位為cm。 波高和流速數(shù)據(jù)分別采集400 s,截取其中的后340 s進行統(tǒng)計分析。
圖3(a)和圖4(a)分別為有效波高和波周期為7.3 cm和1.21 s的單向
和多向不規(guī)則波實驗結(jié)果。由于岸線和地形的影響,波浪傳至近岸后產(chǎn)生
很大的波生沿岸流,實驗中測得的最大流速超過25 cm/s。波生沿岸流反 過來又對波浪場的分布產(chǎn)生影響,例如,圖3(a)中出現(xiàn)了超過入射波高
圖2物理模型水深等深線和測點布置
Fig.2 ContoIlr slines of locations of meters
wave
1.20倍的波高增大區(qū)。
2.2計算結(jié)果分析
physical
model and
current
gauges and
計算中取網(wǎng)格尺度為0.2m×0.2m,人射波的頻譜和方向譜分別劃分
第1期
鄭金海、Hajime Mase:波流共存場中多向隨機波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型
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成10個和36個分量,每個網(wǎng)格上計算流速值取實驗中測得流速的線性插值。 圖3和圖4分別給出單向和多向不規(guī)則波的波高分布計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比,圖中等值線表示近岸區(qū) 有效波高與入射有效波高之比?梢钥闯,考慮了波生流的影響后,數(shù)值計算結(jié)果才能反映出在凹岸處的波高 增大。
16
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12 工,m
(a)物理模型實驗結(jié)果
(b)考慮水流的計算結(jié)果
(c)不考慮水流的計算結(jié)果
圖4 Fig.4
多向不規(guī)則波波高分布計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比
c8lculated衄d measured
wave
C響parisoIls
of
height
di舸butions
for
m枷一directional
case
圖5和圖6分別給出單向和多向入射波的條件下橫斷面(y=6.O m)和縱斷面(茹=9.O m)的計算和實驗結(jié)果
的比較,縱坐標(biāo)是近岸區(qū)有效波高與入射波有效波高的比值。圖中的實線是考慮波生流的計算結(jié)果,虛線是不 考慮波生流的計算結(jié)果。可以看出,考慮了波生流的數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合很好,特別是由于強離岸流 導(dǎo)致的波高增大部分;而不考慮水流時,數(shù)值計算無法模擬波高增大的現(xiàn)象。說明為了更好地模擬和預(yù)報隨機
波浪在近岸地區(qū)的傳播與變形,必須考慮環(huán)境水流的影響。 圖7是計算和實驗有效波高的相關(guān)關(guān)系圖,可以看出大部分計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的誤差在15%以內(nèi)。統(tǒng)
計表明,入射波為單向隨機波時平均計算誤差為5.42%,計算值和實驗值的相關(guān)系數(shù)為o.94;入射波為多向
82
水科學(xué)進展
第19卷
隨機波時平均計算誤差為7.67%,計算值和實驗值的相關(guān)系數(shù)為O.92。說明本文建立的波浪數(shù)學(xué)模型在波流 共存場多向隨機波浪傳播變形的計算中表現(xiàn)良好。
圖5單向不規(guī)則波典型斷面計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比
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
實驗Hl,,/(Hl,,)。
圖6多向不規(guī)則波典型斷面計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比
Fig.6 Comparisons 0f multi.direction8l calculated
case
圖7計算波高與實驗結(jié)果的相關(guān)關(guān)系
heights for Fig.7 Correlations cuhted between me8sured
wave
and
measured
non.no珊alized
wave
and cal一
nomaljzed
heights
4結(jié)
論
由于岸線和地形的影響,隨機波浪在近岸地區(qū)會產(chǎn)生很大的水流,波致沿岸流又會對波浪場的分布產(chǎn)生影 響。為了模擬波流共存場中多向隨機波浪傳播與變形,本文基于波作用量守恒方程建立了考慮波浪繞射的影 響、水流引起的波浪頻散多普勒效應(yīng)以及水流和地形共同影響下波浪破碎能量耗散的有限差分?jǐn)?shù)學(xué)模型。數(shù)值
計算結(jié)果與物理模型實驗數(shù)據(jù)進行了比較分析,表明考慮水流的波浪數(shù)學(xué)模型能較好地復(fù)演由于離岸流引起的 波高增大,可以用于波流共存場多向隨機波浪傳播變形的模擬和預(yù)報。
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modeullg of
mlllti-directi蚰al random
wave
tr跚塢fo唧ation
in、矽aVe—current coe】i【isting water
ZHENG Jin.h8i1,Hajime
areas+
Mase2
Ⅳa可魄。210098,劬譏口;2.D厶∞把r
(1.研玩6Dr螄可礦co∞腳D厶∞地rⅡ,ldD咖聊e,脅珧”0,鼬面凡,脅^反跏溉酊, P,吼帥t如n腦∞—娩觸豇眥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脅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謫nd finite
and dept}l limited wave breaking.The goveming equation is discretized by
di£f.erence method.7Ihe wave height distribution of uni-齟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眥lating
the wave
height
accretion due
to邱currents.ne砌tual
coIrlp耐sons
reVeal th砒the present model
is。穑欤椋悖幔猓欤
for the random waves pmpagating in wave-current coexisting
Key words:waVe—cuITem coexisting areas;waVe action balance equation;multi—directional r。洌铮 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驢瑚for
New Centery Excel—
lent Talents in
ulliveIsity(NCET—07一0255).
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