陳 靜, 柯世堂, 李文杰, 朱庭瑞, 員亦雯, 任賀賀

(南京航空航天大學(xué) 土木與機(jī)場(chǎng)工程系; 江蘇省機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施安全工程研究中心, 南京 211106)

隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略[1]的快速推進(jìn),近海岸海洋工程建設(shè)需求與日俱增,南海海域經(jīng)歷復(fù)雜的地質(zhì)演化過程形成不同類型的海床地貌,其三維效應(yīng)對(duì)風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)演化規(guī)律具有顯著影響,導(dǎo)致近岸風(fēng)、浪、流場(chǎng)的時(shí)空分布及統(tǒng)計(jì)特性不同于開闊海域,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜海洋環(huán)境是海岸工程安全保障的重要前提.目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范[2-3]關(guān)于淺海區(qū)波浪的計(jì)算方法是基于線性波浪理論假定,不能考慮海床面粗糙度對(duì)波流運(yùn)動(dòng)的影響,工程設(shè)計(jì)中海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果仍只能過度依賴實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和關(guān)鍵參數(shù)取值經(jīng)驗(yàn).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬現(xiàn)在已成為風(fēng)-浪-流環(huán)境耦合場(chǎng)預(yù)測(cè)的重要手段,但目前模擬采用的邊界造波法忽略了初始場(chǎng)未形成已改變風(fēng)浪流要素的問題,一定程度限制了淺海地區(qū)風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)的預(yù)測(cè)精度.

現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)研究主要集中在數(shù)值方法改進(jìn)[4-6]、流場(chǎng)演化規(guī)律[7-10]、結(jié)構(gòu)水動(dòng)力模型[11-14]等方面,文獻(xiàn)[9]中基于Fluent平臺(tái)二次開發(fā)研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)-浪-流三者耦合作用下,風(fēng)會(huì)導(dǎo)致波浪傳播過程中波長(zhǎng)增大、波幅減小;文獻(xiàn)[6]中結(jié)合理論推導(dǎo)將波浪水質(zhì)點(diǎn)速度化作單位矢量代入風(fēng)剖面公式之中,改進(jìn)了風(fēng)-浪耦合邊界自由液面處風(fēng)與水質(zhì)點(diǎn)速度方向的一致性.但上述模擬過程中風(fēng)-浪-流耦合模型通常假定風(fēng)速、流速沿高度均勻分布和水深不變,無法考慮淺海地區(qū)梯度風(fēng)、剪切流的垂向速度不均勻和海床地貌不規(guī)則對(duì)耦合場(chǎng)的影響.針對(duì)海床地貌的影響研究,僅有部分學(xué)者對(duì)淺水波浪的非線性變化[15]或斜坡地形的波浪破碎[16-21]問題進(jìn)行探索,文獻(xiàn)[19]中結(jié)合物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了礁前坡度、坡頂淹沒水深與規(guī)則波在島礁地形上的破碎指標(biāo)之間的相關(guān)性;文獻(xiàn)[20]中指出隨海床面坡度的增大,孤立波在傳播過程中受地形因素導(dǎo)致的能量耗散作用為主,淺化作用為輔;文獻(xiàn)[21]中為研究孤立波與斜坡作用,利用新一代CFD軟件STAR CCM+以造波邊界設(shè)置多層流體速度方式構(gòu)建二維內(nèi)孤立波數(shù)值水槽,模擬波浪振幅與設(shè)計(jì)振幅誤差在0.5%以內(nèi).此類研究大都局限于斜坡海床下波浪場(chǎng)的破碎現(xiàn)象,未涉及真實(shí)海域典型海床地貌與風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)的非定常演變物理過程研究,且缺乏基于不同海床對(duì)風(fēng)-浪-流場(chǎng)非定常演變特征的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

鑒于此,基于STAR-CCM+二次開發(fā)考慮了梯度風(fēng)、剪切流的垂向速度不均勻?qū)︸詈蠄?chǎng)的影響,開展多層三維黏性風(fēng)-浪-流-海床耦合場(chǎng)仿真模擬,分析4種典型海床地貌下波浪、海流和風(fēng)場(chǎng)的非定常時(shí)空演變規(guī)律,對(duì)比分析了波高、波長(zhǎng)、平均流速、流剖面指數(shù)、基本風(fēng)速及風(fēng)剖面指數(shù)的差異及產(chǎn)生原因,最后結(jié)合主成分分析法提出各海床工況下風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)全生命周期非定常綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),可為淺海地區(qū)典型海床地貌下的風(fēng)-浪-流場(chǎng)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供參考.

1 風(fēng)-浪-流-海床耦合場(chǎng)模擬方法

1.1 數(shù)值模擬方法

1.1.1典型海床概況 我國(guó)南海海域包含著紛繁復(fù)雜的地貌單元,整體發(fā)展趨勢(shì)從四周向中部水深逐漸變大,將陸相-海陸過渡相-海相的發(fā)展區(qū)域地貌單元依次劃分為大陸架、大陸坡、邊緣海盆地[22-23].研究區(qū)域位于南海海域的東北位置,屬于大陸架與大陸坡的交界區(qū)域,重點(diǎn)以大陸坡典型海床地貌作為研究對(duì)象,其中大陸坡的三級(jí)地貌共分為海底平原、海底斜坡和海槽,以3種地貌平均深度較低的四級(jí)地貌[23]:海底平原的深海水道、海底斜坡的褶皺型“微凹陷”和海槽地帶的“U” 形“微凹陷”作為典型地貌,再以無地貌的平坦海床作為對(duì)比工況,以此來研究典型海床地貌下波浪場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)與海流場(chǎng)演化過程.圖1給出了海底平原、海底斜坡和海槽典型地貌的數(shù)值模型,床面高度指海床最大高度差,分別為18、5、10 m;褶皺角度(30°)指褶皺頂部角度,U彎角度(15°)指中央拱起角度.

圖1 南海東北部海域海床地貌及簡(jiǎn)化模型圖Fig.1 Seabed topography and simplified model map in northeastern South China Sea

1.1.2黏性流體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型 通常假設(shè)浮體周圍流域內(nèi)的流體是不可壓縮性的,不考慮流體的表面張力,可結(jié)合連續(xù)性方程和N-S方程來表達(dá)流體的黏性運(yùn)動(dòng)[24]:

(1)

(2)

式中:u為三維流體x、y、z方向的速度矢量;ρ為密度;t為流體運(yùn)動(dòng)時(shí)間;μ為動(dòng)力黏度系數(shù)與渦動(dòng)黏度系數(shù)之和;p為壓力;g為重力矢量;fs為消波源項(xiàng).

海床面的運(yùn)動(dòng)邊界條件:

(3)

式中:D為海水深度.

1.1.3改進(jìn)多層風(fēng)-浪-流耦合模型 線性波浪波面高程方程為

(4)

式中:η為波面高程;H為波高;k為波數(shù);ω為圓頻率.

以五階Stokes波模擬周期性波浪,該波浪波面具有非對(duì)稱余弦曲線函數(shù)狀態(tài),可直觀觀察到波峰與波谷形態(tài),比線性波浪更接近實(shí)際海況.其波面高程方程為

(5)

x方向的速度表達(dá)式:

ux=

(6)

z方向的速度表達(dá)式:

uz=

(7)

式中:d為水深;c=cosh(kd);λ1=λ,λ2=λ2B22+λ4B24,λ3=λ2B33+λ4B35,λ4=λ2B44,λ5=λ2B55;λ、B系列參數(shù)詳見文獻(xiàn)[25].

風(fēng)場(chǎng)依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[26]采用A類地貌風(fēng)剖面系數(shù),以指數(shù)率梯度風(fēng)進(jìn)行定義:

(8)

式中:uw、u10分別為高度z和高度10 m對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速;α為地面粗糙度指數(shù),A類地貌取值0.12.

自由液面以下的海流流速以1/7定律的指數(shù)型分布表示:

(9)

式中:uc、vc分別為海流的流速和平均流速;l為距海床底距離.

實(shí)際海域中水流速度在垂向上具有一定的分布差異,從而導(dǎo)致波浪沿不同水深發(fā)生變化;同時(shí)風(fēng)在垂向上也呈現(xiàn)梯度分布,導(dǎo)致波面?zhèn)鞑?huì)產(chǎn)生變形現(xiàn)象.為研究近海風(fēng)-浪-流演化問題,需要同時(shí)考慮風(fēng)、流垂向分布的影響.以多層質(zhì)點(diǎn)速度耦合方法應(yīng)用于風(fēng)浪流共存情況,如圖2所示.圖中:在多層風(fēng)浪流耦合模型中建立笛卡爾坐標(biāo)系OXYZ;原點(diǎn)O為海平面位置;Z坐標(biāo)描述水深;Y坐標(biāo)描述風(fēng)-浪-流橫向?qū)挾?風(fēng)-浪-流沿著X正方向傳播.對(duì)計(jì)算域進(jìn)行風(fēng)波耦合區(qū)、波流耦合區(qū)、水深一半以上區(qū)和水深一半以下區(qū)的分層,不同層的風(fēng)速、流速以風(fēng)剖面、剪切流的速度進(jìn)行分解輸入,以此建立新型多層風(fēng)-浪-流耦合模型.該模型的速度uwj、uci分別為j、i層的風(fēng)浪耦合速度和浪流耦合速度.風(fēng)-浪-流在x方向上的速度:

圖2 多層風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)模型示意圖Fig.2 Diagram of multilayer wind-wave-current coupling field model

Ux=

(10)

1.2 CFD模擬參數(shù)設(shè)定

圖3給出了風(fēng)-浪-流-海床三維數(shù)值黏性水池模型示意圖.計(jì)算域由風(fēng)-浪-流生成區(qū)、阻尼消波區(qū)和風(fēng)-浪-流-海床耦合演化區(qū)組成.為保證流體充分發(fā)展,計(jì)算流體域取400 m×200 m×330 m(流向x×展向y×縱向z),水深按照實(shí)際海深取值30 m,尾端設(shè)置尺寸為66 m×200 m×330 m的消波區(qū).

圖3 多層風(fēng)-浪-流-海床三維數(shù)值黏性水池模型示意圖Fig.3 3D numerical viscous pool model of multilayer wind-wave-current-seabed

計(jì)算域邊界條件設(shè)置如下:左邊界為風(fēng)-浪-流速度入口,右邊界設(shè)為壓力出口,前后邊界設(shè)為對(duì)稱邊界,頂部邊界設(shè)為滑移壁面,底部邊界設(shè)為無滑移壁面,其中為了流體得以更快地形成穩(wěn)定場(chǎng),速度入口和壓力出口設(shè)置成周期性接觸,形成充分發(fā)展性邊界.雷諾平均N-S方程(RANS)非定常計(jì)算模型采用更適合于求解雷諾應(yīng)力分量輸運(yùn)方程的SSTk-ω湍流模型,使用流體體積方法對(duì)自由液面進(jìn)行追蹤處理.通過自定義場(chǎng)函數(shù)接口,將多層風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模型施加在入口邊界上,初始化時(shí)停用第一波前設(shè)置,可生成對(duì)應(yīng)的風(fēng)浪流初始場(chǎng).為防止出口風(fēng)浪流反射,形成壁面效應(yīng),在水池尾部添加動(dòng)量源阻尼項(xiàng).根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范[3]中統(tǒng)計(jì)的各海區(qū)風(fēng)浪流長(zhǎng)期分布參數(shù),選擇研究區(qū)域?qū)儆?0號(hào)海區(qū),選取海區(qū)作業(yè)海況作為輸入條件,波高設(shè)置為2.1 m,周期為5.3 s,設(shè)10 m處風(fēng)速為11.4 m/s,平均流速為0.68 m/s,通過波浪速度分解x、y和z向,與自定義風(fēng)剖面、剪切流疊加計(jì)算.

在計(jì)算域全域沿高度定義波峰以上、波谷以下及波浪發(fā)展范圍內(nèi)的風(fēng)-浪-流解耦速度(式(10)),初始時(shí)刻計(jì)算域全域即實(shí)現(xiàn)了風(fēng)-浪-流場(chǎng)解耦,解決現(xiàn)階段數(shù)值造波方法存在的初始場(chǎng)形成前,風(fēng)、浪、流要素已改變問題,同時(shí)提高計(jì)算效率和精度.圖4給出初始化流場(chǎng)分布圖.

圖4 風(fēng)-浪-流水池初始化速度場(chǎng)云圖Fig.4 Initial velocity field cloud image of wind-wave-flow tank

圖5給出了風(fēng)-浪-流-海床耦合數(shù)值水池網(wǎng)格劃分示意圖.整體采用混合網(wǎng)格離散形式,以切割型六面體網(wǎng)格加密程度區(qū)分液面加密域、液面過渡域和其他區(qū)域.其中對(duì)液面加密域沿波浪傳播方向、波高方向加密網(wǎng)格,液面過渡區(qū)相對(duì)于液面加密區(qū)兩倍的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密.y+值為無量綱壁面距離,關(guān)乎近壁面湍流的發(fā)展?fàn)顟B(tài),近壁面區(qū)域使用全y+壁面處理函數(shù)方法,近壁面第1層網(wǎng)格厚度為0.041 m,y+范圍在150～250內(nèi),滿足壁面函數(shù)法要求.

圖5 風(fēng)-浪-流-海床三維數(shù)值粘性水池網(wǎng)格劃分示意圖Fig.5 Diagram of wind-wave-stream-seabed three-dimensional numerical viscous pool grid

表1給出了不同水線加密工況下參數(shù)對(duì)比,其中L為波浪波長(zhǎng).由表可知:隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,波高誤差逐漸減小趨勢(shì),波高衰減情況改善.工況4和工況5的波高誤差與規(guī)范結(jié)果相差較小,且兩者之間也無明顯差異,綜合考慮計(jì)算精度與效率的平衡,本文選取網(wǎng)格工況4為數(shù)值模擬網(wǎng)格方案,時(shí)間步長(zhǎng)按照T/(2.4r)取值.其中:T為波浪周期;r為一個(gè)波長(zhǎng)的網(wǎng)格數(shù)量.時(shí)間步長(zhǎng)為0.022 s.

表1 網(wǎng)格劃分方案工況Tab.1 Working condition of grid partitioning scheme

1.3 有效性驗(yàn)證

風(fēng)-浪-流參數(shù)模擬精確度與試驗(yàn)結(jié)果有很大的關(guān)聯(lián)性,為驗(yàn)證數(shù)值水池模擬試驗(yàn)結(jié)果,分別對(duì)波浪單獨(dú)作用的波浪場(chǎng)及消波效果、對(duì)初始時(shí)刻風(fēng)-浪-流耦合作用下的風(fēng)場(chǎng)及海流場(chǎng)進(jìn)行分析,通過距入口、出口20 m處監(jiān)測(cè)的波面高程、縱向分布風(fēng)速及流速的模擬值與理論值進(jìn)行對(duì)比,來驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性,其中風(fēng)-浪-流規(guī)范值參數(shù)如表2所示.

表2 風(fēng)-浪-流參數(shù)Tab.2 Wind-wave-current parameter

圖6(a)為波浪單獨(dú)作用時(shí)距入口20 m處波浪模擬值與理論值對(duì)比曲線,在模擬的60～90 s階段,波浪的模擬值與理論值波形基本吻合,且無衰減的趨勢(shì);圖6(b)為距出口20 m消波區(qū)波面高程時(shí)程曲線,由圖可見相較于未消波和消波后的理論值,波浪在兩個(gè)周期以后已基本消失,驗(yàn)證了阻尼消波的可行性.

圖6 波高模擬值與理論值對(duì)比時(shí)程曲線Fig.6 Comparison of time-history of wave height simulation value with theoretical value

圖7給出了風(fēng)-浪-流耦合作用下初始時(shí)刻計(jì)算域距入口20 m處沿高度風(fēng)速和流速模擬結(jié)果對(duì)比曲線.結(jié)果表明入口處風(fēng)剖面和剪切流剖面與理論解吻合,初始條件下風(fēng)場(chǎng)和海流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定.

圖7 距入口20 m處風(fēng)速及流速剖面模擬值與理論值對(duì)比曲線Fig.7 Comparison of simulated and theoretical values of wind speed and current speed at 20 m from inlet

2 耦合場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律

2.1 波浪場(chǎng)時(shí)空演化

圖8給出了計(jì)算域中間(x=0 m)4種海床地貌下波浪場(chǎng)波形變化時(shí)程曲線.對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)-浪-流場(chǎng)與平坦地貌、海底斜坡和海槽的耦合作用使得波高大幅度減小、波長(zhǎng)變長(zhǎng);平坦地貌、海底斜坡和海槽工況呈現(xiàn)衰減演化過程,海底平原工況呈現(xiàn)波浪破碎過程.平坦地貌、海底斜坡和海槽3種地貌下的衰減演化過程均可分為波面激增、衰減和穩(wěn)定3個(gè)階段,其中衰減階段平坦地貌和海底斜坡工況波浪場(chǎng)處于持續(xù)衰減,而海槽地貌由于“淺-深-淺”的地形特征和色散定律,波浪場(chǎng)形成波群性衰減;海底平原工況先經(jīng)歷外破波和內(nèi)破波兩個(gè)階段的波浪破碎,呈現(xiàn)波高突變和波形衰減的非線性變化,最后在爬波階段受到觸底回流的沖擊,形成最后一次高達(dá)6 m的“直立”形波浪破碎現(xiàn)象.

圖8 不同海床地貌下波形高程-時(shí)程變化曲線Fig.8 Waveform time-history curves in different seabed topographies

圖9～12給出了演化階段下各海床工況全域空間波形變化示意圖.由圖可知:平坦地貌、海底斜坡和海槽3個(gè)工況經(jīng)歷過激增階段的波面陡立后,都呈現(xiàn)不同程度的衰減現(xiàn)象,其中海槽地形也由于色散定理和水深特征,波浪的前緣速度和后緣速度不同,波面的橫向不對(duì)稱性相比其他工況較明顯;海底平原工況外破波階段波浪破碎形態(tài)多為激破波與卷破波組合的破碎形式,內(nèi)破波階段形成出口端波浪折射現(xiàn)象和部分前沿陡立、后坡平坦的段波,與爬坡階段的觸底回流碰撞形成崩破波.

圖9 平坦地貌不同階段三維空間波形演變?cè)茍DFig.9 Three-dimensional spatial waveform variation diagram under flat geomorphic conditions

圖10 海底平原不同階段三維空間波形變化圖Fig.10 Three-dimensional spatial waveform variation diagram under submarine plain working conditions

圖11 海底斜坡不同階段三維空間波形變化圖Fig.11 Three-dimensional spatial waveform variation diagram under submarine slope conditions

圖12 海槽不同階段三維空間波形變化圖Fig.12 Three-dimensional spatial waveform variation diagram under trough working conditions

2.2 海流場(chǎng)時(shí)空演化

圖13為各工況的剪切流模擬結(jié)果對(duì)比,其中每幅下圖對(duì)應(yīng)上圖的最后時(shí)刻,β值為流剖面指數(shù),初始為1/7.對(duì)比可見:與平坦地貌相反,海底平原、海底斜坡和海槽工況對(duì)流剖面要素均存在一定影響,其中平均流速皆呈現(xiàn)隨時(shí)間逐漸減小的趨勢(shì);海底平原工況由于觸底回流的原因,演化終期垂向流速基本為負(fù)值.分別采用指數(shù)型、多項(xiàng)式對(duì)一半水深以下、一半水深以上和波流耦合區(qū)3個(gè)區(qū)域進(jìn)行擬合,并給出如下4個(gè)工況擬合后的垂向流速解析式.

教師主要以課堂教學(xué)的知識(shí)和理論基礎(chǔ)為基礎(chǔ)，與直接獲得實(shí)際和實(shí)踐能力的生產(chǎn)和科研實(shí)踐相分離。因而，通過實(shí)踐教育基地的建設(shè)，給教師搭建了產(chǎn)學(xué)研合作的平臺(tái)，不僅擴(kuò)寬了教師的視野，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的轉(zhuǎn)化，而且還能提高教師的科研水平；同時(shí)，企業(yè)也獲得了人才、技術(shù)的有力支持，對(duì)于提高企業(yè)新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)有了進(jìn)一步的保障。

圖13 不同海床地貌下剪切流模擬結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of shear flow simulation results in different seabed geomorphologies

平坦地貌:

(11)

海底平原:

(12)

海底斜坡:

(13)

海槽:

(14)

圖14～17給出各工況下速度流線空間分布圖.分析可得:不同于傳統(tǒng)的風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)波峰下部“V”形、波谷下部“U”形間隔渦區(qū)的研究結(jié)果,耦合場(chǎng)由于垂向壓差,形成了不同尺度的周期性渦旋;平坦地貌工況地形對(duì)渦旋發(fā)展無阻礙,形成“多渦積聚”,海底斜坡工況“褶皺”地形的阻礙導(dǎo)致流場(chǎng)形成“多渦共存”的現(xiàn)象;而海底平原工況由于卷破波形成時(shí)部分空氣卷入,加劇低空處風(fēng)和波浪速度,波浪場(chǎng)加劇變化使得全域波形呈現(xiàn)“坡形”,風(fēng)場(chǎng)與其碰撞形成圖15(b)中風(fēng)波耦合區(qū)的渦旋,爬坡階段渦旋發(fā)展過程遇到觸底回流,海流場(chǎng)渦旋體系被破壞;對(duì)于海槽工況,海流場(chǎng)發(fā)展空間較小,但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的演化,形成的小渦旋逐漸破壞初始“U+V”渦區(qū)形態(tài).

圖14 平坦地貌工況流場(chǎng)時(shí)空演化圖Fig.14 Space-time evolution diagram of flow field under flat landform conditions

圖15 海底平原工況流場(chǎng)時(shí)空演化圖Fig.15 Space-time evolution diagram of flow field in submarine plain

圖16 海底斜坡工況流場(chǎng)時(shí)空演化圖Fig.16 Temporal and spatial evolution diagram of flow field under submarine slope conditions

圖17 海槽工況流場(chǎng)時(shí)空演化圖Fig.17 Temporal and spatial evolution diagram of flow field in trough conditions

2.3 風(fēng)場(chǎng)時(shí)空演化

圖18為不同工況下風(fēng)剖面擬合結(jié)果對(duì)比,其中每幅下圖對(duì)應(yīng)上圖的最后時(shí)刻.對(duì)比發(fā)現(xiàn)4種海床地貌引起的波浪場(chǎng)變化均會(huì)造成風(fēng)剖面指數(shù)的增大和基本風(fēng)速的減小,且參考表1,發(fā)現(xiàn)海床床面高度與風(fēng)剖面指數(shù)成正比關(guān)系,與A類地貌取值0.12[26]相比,平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽的演化終期風(fēng)剖面指數(shù)分別為0.164、0.197、0.173和 0.176;海底平原工況由于外破波階段波高全域性突變至7～8 m,海表面的粗糙度大幅度提高,此時(shí)風(fēng)場(chǎng)也在波面抬升中損失大量能量,導(dǎo)致圖18(b)中在t=7 s附近基本風(fēng)速降到極小值5 m/s,風(fēng)剖面指數(shù)提高到極大值0.4,在后面的演化階段,風(fēng)場(chǎng)恢復(fù)至穩(wěn)定,但其基本風(fēng)速的穩(wěn)定值小于其他3個(gè)工況.

圖18 不同海床地貌下風(fēng)剖面模擬結(jié)果對(duì)比Fig.18 Comparison of simulation results of wind profile in different seabed topographies

3 耦合場(chǎng)非定常效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

(15)

結(jié)合主成分分析方法,根據(jù)風(fēng)-浪-流演化過程中每0.02 s模擬出的6個(gè)非定常環(huán)境因子作為樣本,提取最大貢獻(xiàn)主成分.圖19分別為4個(gè)海床工況的非定常環(huán)境因子在主成分1×主成分2 上的投影.圖中:圓點(diǎn)的大小與演化時(shí)間成正比;箭頭終點(diǎn)的坐標(biāo)值代表各非定常因子對(duì)主成分的貢獻(xiàn)值.表3為不同海床地貌下主成分最大貢獻(xiàn)數(shù)量及累計(jì)貢獻(xiàn)率.其中平坦地貌、海底斜坡及海槽工況前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)到91.7%、85.6%和94.6%;海底平原工況所需4個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.0%,已滿足主成分分析法降維精度要求[27].

表3 不同工況主成分貢獻(xiàn)數(shù)量及累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.3 Number and cumulative contribution rate of principal components under different working conditions

圖19 非定常環(huán)境因子和樣本數(shù)據(jù)對(duì)主成分貢獻(xiàn)數(shù)值圖Fig.19 Unsteady environmental factors and sample data contribute to numerical diagram of principal components

據(jù)此可建立風(fēng)-浪-流全生命周期非定常綜合評(píng)價(jià)函數(shù):

F=

(16)

式中:X1～X6依次為波高、波長(zhǎng)、平均流速、流剖面指數(shù)、基本風(fēng)速與風(fēng)剖面指數(shù)的非定常環(huán)境因子.基于此取演化終期的非定常環(huán)境因子數(shù)值,建立各海床地貌工況下風(fēng)-浪-流耦合非定常評(píng)價(jià)指標(biāo)參考值.得到平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽的非定常評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為0.268、4.612、0.672和0.926.

4 結(jié)論

系統(tǒng)研究了典型海床地貌下風(fēng)-浪-流耦合過程非定常演化規(guī)律及評(píng)價(jià)指標(biāo),尤其在多層風(fēng)-浪-流耦合模型、風(fēng)-浪-流場(chǎng)階段性發(fā)展形態(tài)演化和非定常綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)方面取得了原始創(chuàng)新,具體如下:

(1) 新型多層風(fēng)-浪-流耦合模型能精確模擬出垂向風(fēng)速、流速不均勻?qū)︼L(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)造成的影響.以風(fēng)-浪-流解耦模型運(yùn)用于CFD初始條件中,有效提高計(jì)算效率和精度.

(2) 各海況的風(fēng)-浪-流-海床演化過程:波浪場(chǎng)演變分為三階段,其中平坦地貌、海底斜坡和海槽工況分為波面激增、衰減和穩(wěn)定階段;海底平原工況共分為外破波、內(nèi)破波和爬坡階段.海流場(chǎng)隨演變過程在空間上呈多段式分布,一半水深以下的指數(shù)率函數(shù)、一半水深以上及波流耦合區(qū)的多次項(xiàng)函數(shù).

(3) 海流速度場(chǎng)由于垂向壓差形成渦旋,各工況根據(jù)海床地貌不同形成多渦積聚或多渦共存的現(xiàn)象;風(fēng)-浪-流-海床耦合演化對(duì)風(fēng)剖面指數(shù)產(chǎn)生放大作用,海床床面高度與風(fēng)剖面系數(shù)成正比關(guān)系.

(4) 建立了基于主成分分析法的耦合場(chǎng)全生命周期非定常評(píng)價(jià)指標(biāo), 并提出演化終期各典型海床下非定常評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值:平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽分別為0.268、4.612、0.672和0.926.非定常評(píng)價(jià)指標(biāo)可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)淺海地區(qū)典型海床地貌下風(fēng)、浪、流時(shí)空分布變異性特征, 可為我國(guó)海岸工程安全建設(shè)中海洋環(huán)境預(yù)測(cè)提供參考.