近岸波浪及沿岸流数值模拟研究.pdfVIP

水 利 学 报 2008年 12月 SHUIH XUEBAO 第 39卷 第 12期 文章编号 ：0559—9350(2008)12—1340—06 近岸波浪及沿岸流数值模拟研究 崔 雷，唐 军，沈永明 (大连理工大学 海岸和近海工程 国家重点实验室 ，辽宁 大连 116023) 摘要：利用抛物型缓坡方程计算波浪场，并以波浪辐射应力为近岸动力因素，建立深度平均的二维近岸流的控制方 程。运用该近岸流方程，对美国SantaBarbaraLeadbetter海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的沿 岸流进了数值模拟 ，其 中抛物型缓坡模型采用 Crank—Nicolson格式进行数值离散 ，近岸流方程采用 ADI差分格式离 散。与现场实测资料的对 比表明，无论考虑或不考虑波浪非线性因子，模拟结果与实测结果均吻合 良好。 关键词 ：抛物型缓坡模型；辐射应力 ；沿岸流 ；数值模拟 中图分类号 ：TV139．2 文献标识码 ：A 1 研究背景 波浪向近岸海域传播的过程 中，由于地形和岸边界的影响，波浪发生破碎 、演化等现象，使得近岸区 域成为动力因素相对较为复杂的区域。在此区域，由波浪破碎等效应所形成的近岸波流场是近岸水体 与离岸水体交换的重要动力因素之一 ，对海岸带泥沙输运及污染物 的输移扩散有显著影响。研究近岸 海域 ，有效地掌握近岸波浪场及沿岸流场的分布规律 ，对近海工程的顺利开展、海岸带环境保护以及海 岸带地区污染综合治理等方面都具有重要的理论价值和现实意义。 缓坡方程是模拟近岸波浪传播的有效方法之一。抛物型缓坡方程忽略了波浪在主传播方向上反射 作用的影响，沿波浪传播主方向步进求解 ，节省计算机 内存 ，节约计算时间，提高了求解效率 ，可以用于 模拟近岸相对较大缓坡海域的波浪传播变形。在近海缓坡地形条件下，波浪在传播中会发生变形、破碎 等现象，进而形成强度与影响范围相对较大的近岸流。对于该 区域 的海水运动 ，现今普遍认为 ，波浪辐 射应力是最主要的驱动力。海水运动中所受的水底摩擦阻力 、水面高度相对于静水面位置的变化所致 的静水压力也参与力的平衡 ，近岸流运动主要受上述力的制约。近岸流速度的铅直分布实际上是不均 匀的，但是根据破碎带水深相对较浅这一特点，通常认为流速沿水深混合充分均匀而忽略这种不均匀 性，从而将近岸流运动近似视为二维运动。Longuet．Higgins和Stewart¨首先利用波浪辐射应力解释了近 岸流的动力因素，国内外许多学者也都基于辐射应力理论对近岸波流场进行了大量研究工作” 。从 波浪辐射应力理论出发 ，基于抛物型缓坡方程 中的波浪势函数来计算波浪的辐射应力 ，在此基础上基于 近岸流数学模型可以有效地对近岸海域波浪破碎所形成的波流场进行数值模拟 ，一些学者对实验室理 想地形条件下的验证效果 良好 I9]。本文基于上述数学模型，对美国SantaBarbaraLeadbetter海岸的波 浪场及波浪破碎所产生的沿岸流进行了数值模拟分析，数值模拟结果与实测结果吻合 良好。 收稿 日期 ：2008．03—06 基金项 目：国家 自然科学基金重点项 目；国家重点基础研究发展计划项 目(2005CB724202)；国家 自然科学基金资助项 目 50709004) 作者简介 ：崔雷 (1978一)，男 ，辽宁大连人 ，博士生 ，主要从事环境水力学研究。E-mail：trulysignory@163．corn __ _ — — 1340 _。__—— 2 数学模型 2．1 波浪场数学模型 波浪斜 向入射到近岸缓坡海域时，由于地形变浅，会发生波浪变形、破碎等现 象，进而形成近岸流。对近岸流计算的基础是确定波浪在近岸海域的传播。当波浪沿某一主方 向传播 且忽略波浪在主传播方 向的反射作用时，可在 Kirby_1们的抛物型缓坡方程基础上来计算波浪场 ， C +(E+1 A一 (CC,)+F (CC )=0 (1) 其中： ～呲+。…+吉鲁； 丢(一6