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        雙峰譜波浪作用下大窯灣水域響應(yīng)數(shù)值模擬研究

        2015-07-02 00:34:03鄧薔
        中國(guó)水運(yùn) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:波能波面雙峰

        鄧薔

        摘 要:采用Boussinesq數(shù)值波浪模型,模擬雙峰譜波浪作用下大窯灣全灣水域響應(yīng)狀況,結(jié)果表明:風(fēng)浪周期較小的雙峰譜波浪入射大窯灣港內(nèi),不同位置水域均會(huì)發(fā)生波能由高頻向低頻的傳遞,不斷積累的低頻能量會(huì)引起大窯灣港內(nèi)局部或全灣水域出現(xiàn)劇烈的振蕩現(xiàn)象。一般來講,隨著低頻部分能量比例的增大,灣內(nèi)水域的波面振幅和波能隨之增長(zhǎng)。

        關(guān)鍵詞:雙峰譜波浪 大窯灣 Boussinesq波浪模型 港灣振蕩

        大量海上的波浪觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明:海上純風(fēng)浪和純涌浪的出現(xiàn)機(jī)會(huì)均較少,大部分以混合浪形式出現(xiàn)。由于風(fēng)浪和涌浪兩種成分周期不同,表現(xiàn)在頻譜上即呈現(xiàn)雙峰或多峰。

        當(dāng)外海波浪傳入大窯灣港內(nèi),若入射波浪的頻率與大窯灣固有頻率一致,就會(huì)出現(xiàn)港內(nèi)水面劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象,稱之為港灣振蕩。由于大窯灣尺寸較大(參見圖1),港灣振蕩的固有周期一般在幾十秒到幾十分鐘之間。改進(jìn)的Boussinesq方程因包含了新的Boussinesq校正項(xiàng)并改進(jìn)了彌散關(guān)系而被廣泛應(yīng)用于近岸波浪動(dòng)力學(xué)研究,故本文采用該數(shù)值波浪模型對(duì)于雙峰譜波浪作用下大窯灣港內(nèi)水域響應(yīng)狀況進(jìn)行探討。

        數(shù)值模型

        1、控制方程

        改進(jìn)的Boussinesq方程描述如下:

        nSt+Px+Qy=0 (1)

        nPt+(P2/h)x+(PQ/h)y+(Rxx)x+(Rxy)y+Fxn2ghSx+n2P■ (2)

        nQt+(Q2/h)y+(PQ/h)x+(Ryy)y+(Rxy)x+Fyn2ghSy+n2Q■ (3)

        式中ψ1和ψ2為Boussinesq色散項(xiàng),n為孔隙率,S為波面高度,P、Q分別為x及y方向的流密度;h為總水深(h=d+S),d為靜水深,C為謝才系數(shù),α、β分別為孔隙介質(zhì)中的層流阻及紊流阻力系數(shù),g為重力加速度;B為深水色散關(guān)系修正系數(shù),取B=1/15。

        2、數(shù)值求解方法

        對(duì)方程(1)~(3)采用Abbott等引入的基于SYSTEM21結(jié)構(gòu)的數(shù)值方法求解。

        3、邊界條件和網(wǎng)格劃分

        大窯灣港內(nèi)水域長(zhǎng)約6300m,寬約2000m,北航道寬度為320m,口門部分拓寬至400m,航道水深為-17m;南航道航道寬度為240m,航道水深為-15m;島堤長(zhǎng)度為640m。模擬計(jì)算時(shí),口門處防波堤按反射系數(shù)R=0.8考慮,接岸斜坡堤和天然岸邊界的反射系數(shù)取R=0.5,港內(nèi)固壁邊界均設(shè)定為全反射邊界。造波邊界設(shè)置在-20m等深線處,采用域內(nèi)造波,兩側(cè)開邊界均布置50個(gè)網(wǎng)格寬度的海綿層以吸收反射和輻射的波浪。

        網(wǎng)格尺寸Δx=Δy=10m,時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.25s,模擬時(shí)間共8192s,時(shí)間步數(shù)取為215=32768步。設(shè)置35個(gè)不同代表點(diǎn),位置參見圖1。

        雙峰譜波浪作用下港灣水波振蕩的模擬結(jié)果及分析

        1、雙峰譜譜形選擇

        本文采用奧啟和漢伯爾1976年提出的能夠準(zhǔn)確表達(dá)任何發(fā)展階段的風(fēng)浪的六參數(shù)譜模型。它將整個(gè)頻譜分為低頻和高頻兩個(gè)組成部分,每部頻譜分別采用三個(gè)參數(shù)——有效波高Hs、譜峰頻率ωm和形狀參數(shù)λ來表示,描述如下:

        ■, j=1,2 (4)

        j=1,2分別代表低頻和高頻部分。

        2、雙峰譜波浪的模擬

        雙峰譜波浪的特征參數(shù)由低頻(長(zhǎng)周期)和高頻(短周期)兩部分波浪特征參數(shù)共同組成,將雙峰譜低頻能量占總能量比重固定為兩種,分別為50%、80%;混合浪有效波高為1m。計(jì)算參數(shù)選擇如表1所示:

        雙峰譜波浪作用下港灣的響應(yīng)及分析

        1、涌浪周期較小的雙峰譜波浪作用下港灣的響應(yīng)及分析

        圖2分別給出1~6組不同雙峰譜波浪作用下,大窯灣港內(nèi)同一位置水域波面過程基于快速傅里葉變換得到的響應(yīng)波幅譜比較圖。

        圖2可見,南岸小港池3-3#點(diǎn)附近水域發(fā)生了顯著的波能由高頻向低頻的傳遞;在風(fēng)浪周期相同,涌浪周期不同的雙峰譜波浪作用下及風(fēng)、涌浪周期相同,低頻能量比例不同的雙峰譜波浪作用下,該水域波浪能量分布狀況和傳遞規(guī)律相似,但低頻(涌浪)部分比例越大波浪能量越大。

        圖3給出,大窯灣港內(nèi)不同位置水域的波面過程及經(jīng)小波變換得到的小波譜圖示例。

        圖3可見,同一入射波浪作用下,灣內(nèi)不同位置水域的響應(yīng)狀況差別很大。波面過程圖顯示,灣底南側(cè)拐角水域的水面波動(dòng)最劇烈,波面振幅遠(yuǎn)大于口門位置,港灣中心水域則較??;小波譜圖顯示,港內(nèi)不同位置水域均發(fā)生了波能傳遞現(xiàn)象,低頻能量顯著增大,且集中分布在涌浪頻率附近某一對(duì)應(yīng)頻段,這一現(xiàn)象與圖2.2所示結(jié)果是協(xié)調(diào)的。

        綜上所述,涌浪周期相對(duì)較小的雙峰譜波浪入射大窯灣港內(nèi),不同位置水域均發(fā)生了顯著的波浪能量由高頻向低頻的傳遞,導(dǎo)致低頻能量不斷增加,當(dāng)誘發(fā)的低頻長(zhǎng)波頻率恰好與當(dāng)?shù)厮虻墓逃蓄l率一致時(shí),即可激發(fā)局部水域發(fā)生振蕩,如上圖所示的灣底南側(cè)拐角水域。

        2、涌浪周期很大的雙峰譜波浪作用下港灣的響應(yīng)及分析

        圖4給出了7、8兩組雙峰譜波浪作用下,大窯灣全灣水域有效波高分布狀況圖。

        圖4可見,兩組雙峰譜波浪作用下,大窯灣全灣水域均出現(xiàn)了十分劇烈的整體波動(dòng),其中7組雙峰譜波浪作用下,港內(nèi)不同位置水域的響應(yīng)波高較大。

        綜上所述,涌浪周期較大的雙峰譜波浪入射大窯灣港內(nèi),不同位置水域發(fā)生劇烈的波浪能量傳遞,超低頻長(zhǎng)波能量不斷積累,最終激發(fā)全灣水域發(fā)生十分劇烈的整體振蕩。

        結(jié)論

        采用Boussinesq數(shù)值波浪模型對(duì)雙峰譜波浪作用下大窯灣港內(nèi)水域響應(yīng)狀況進(jìn)行了討論,結(jié)論如下:

        風(fēng)浪和涌浪的周期及能量分布比例是決定雙峰譜波浪對(duì)于港灣不同位置水域的作用效果的兩個(gè)重要指標(biāo)。

        對(duì)于具有相同波浪能量的雙峰譜波浪入射大窯灣港內(nèi),當(dāng)風(fēng)浪周期相同涌浪周期差別較小時(shí),港內(nèi)不同位置水域波浪能量分布狀況和傳遞規(guī)律相似;當(dāng)風(fēng)浪、涌浪周期相同但高、低頻能量分布比例不同時(shí),港內(nèi)不同水域的響應(yīng)狀況基本一致;一定程度上,涌浪決定著雙峰譜波浪的性質(zhì)。

        整個(gè)大窯灣水域而言,具有超低頻涌浪(Tp1=156s)的有效波高為1m的雙峰譜波浪作用下發(fā)生劇烈的港灣振蕩。這也說明波能較小的雙峰譜波浪也可能引起大窯灣港內(nèi)發(fā)生劇烈的水面波動(dòng),從而嚴(yán)重惡化港內(nèi)泊穩(wěn)。

        (作者單位:大連理工大學(xué))endprint

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