近岸帶珊瑚礁臺波浪破碎變形流場結(jié)構(gòu)的試驗和數(shù)值模擬

鄭茜，張陳浩

（1．天津大學仁愛學院，天津 301636；2．中交（天津）生態(tài)環(huán)保設計研究院有限公司，天津 300461）

0 引言

珊瑚礁群廣泛分布于海洋近岸帶，其地形特征通常是由珊瑚礁坪、礁緣和礁坡組成。較為理想狀態(tài)下，珊瑚礁坪連接海岸長達幾千米，這種地形在南亞和東南亞海域尤為常見。波浪通過珊瑚礁群傳播至近海岸線過程中，沿著礁坡爬升后到達礁坪時，由于水深迅速降低，導致波浪發(fā)生破碎和變形。其水動力過程對珊瑚礁群的生態(tài)環(huán)境、水深變化以及建設在近岸帶的水工建筑物會產(chǎn)生較大的影響。因此對波浪穿過珊瑚礁群變形特性和流場結(jié)構(gòu)的試驗和模擬顯得十分重要。

國內(nèi)外的許多學者對珊瑚礁上的波浪變形進行了試驗和模擬研究，姚宇[1]等通過波浪水槽實驗對珊瑚岸礁破碎帶附近波浪演變規(guī)律開展研究，總結(jié)了礁坪上波浪破碎的關鍵參數(shù)。張其一[2]等采用SWASH模型對珊瑚礁地形上波浪傳播變形的非靜壓進行數(shù)值模擬，揭示了礁坪上波浪能量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。柳淑學[3]等對規(guī)則波和不規(guī)則波在珊瑚礁地形上的波浪破碎特性進行了試驗研究，擬合得到該地形條件下波浪破碎指標和破碎后沿程波高的計算公式。S．R．Massel[4]等在 Gourlay[5]實驗結(jié)果的基礎上建立了波浪破碎和增水數(shù)值模型。Ernest R．Smith[6]等對規(guī)則波和隨機波傳播至沙壩和人工1/30的礁坡時的破碎特性進行了試驗研究。

在試驗研究方面，通常采用收集波浪沿程波高一維數(shù)據(jù)采集方式，分析波浪破碎特性[8-9]。本文基于粒子圖像測速技術PIV，采集波浪通過1∶6斜率的礁坡后在礁坪發(fā)生破碎時的二維流場變化。并通過基于OpenFOAM的數(shù)值模型，模擬了該工況下的流場結(jié)構(gòu)演變情況。

1 試驗配置

試驗在長沙理工大學港口海岸及近海工程省重點實驗室45 m×0．8 m×1．0 m波流試驗水槽中完成。PIV采用美國TSI公司的雙脈沖YAG激光粒子圖像測速儀，珊瑚礁波浪破碎試驗設置如圖1所示。

圖1 珊瑚礁波浪破碎試驗布置圖（m）Fig.1 Layout of wave breakage experiment of coral reefs(m)

PIV激光發(fā)射器設置在礁緣與礁坪連接處，距離造波板20 m，不受造波板本身的造波干擾。結(jié)合Gourlay[5-7]研究結(jié)果，通過預備試驗發(fā)現(xiàn)當平臺水深hr與波高H0的比值hr/H0大于2．8時，波浪自由傳播通過平臺而不破碎，為臨界波浪破碎條件。本實驗選取工況為hr/H0=0．05/0．025=2屬于典型的破碎波，因此試驗選定的規(guī)則波工況為波高 2．5 cm、水深 0．4 m、 周期 1．25 s。參數(shù)設置見表1。

表1 波浪入射條件參數(shù)和儀器設置表Table 1 Wave incident condition parameters and instrument settings

圖2為本試驗流程示意圖，本試驗使用自研發(fā)的同步延遲軟件，其分別被安裝在造波控制電腦、波高采集電腦及PIV軟件控制電腦中，用于設置各試驗設備的延遲觸發(fā)時間。其中波高采集系統(tǒng)的采集延遲觸發(fā)的時間為40 s，目的是消除造波機開始造波時的不穩(wěn)定波。造波機控制電腦為試驗開始的觸發(fā)機，當造波機開始造波的同時將發(fā)送命令達波高采集系統(tǒng)，其接收命令后開始倒計時，40 s后波高采集系統(tǒng)及CCD采集系統(tǒng)將自動開始采集數(shù)據(jù)。考慮到安全因素，PIV的激光器需手動打開，打開的時刻為CCD采集系統(tǒng)開始工作之前的幾秒鐘，讓激光先于CCD工作，這樣可保證激光發(fā)射時間覆蓋CCD整個采集周期。波高采集系統(tǒng)設置采集時間為60 s，采集完畢將自動停止，CCD共采集88對圖片，采集完畢將自動停止，同時將自動關閉PIV激光。以上流程結(jié)束后，保存好相應試驗數(shù)據(jù)，則一輪試驗完畢。使用同步軟件控制CCD、波高采集儀以及造波機的同步觸發(fā)或延遲觸發(fā)可以保證數(shù)據(jù)在時間序列上的統(tǒng)一性。

圖2 試驗流程示意圖Fig.2 The flow diagram of the experiment

2 數(shù)學模型

本文采用基于C++語言編寫的開源計算流體力學工具箱OpenFOAM（Open Field Operation and Manipulation），選用基于VOF法求解自由液面的動網(wǎng)格求解器interDyMFoam，引入動網(wǎng)格技術，結(jié)合造波及消浪邊界，建立完整的二維數(shù)值波浪水槽，控制模型的網(wǎng)格設置、初始條件的設置、邊界條件的設置、時間步長的控制等文件，對上述試驗過程進行數(shù)值模擬。其控制方程如下：

式中：ρ代表流場密度；α為控制氣體與液體的體積分數(shù)；Uc與速度U具有相同維度；ρθU為阻尼項，θ為阻尼系數(shù)；t為時長。式（3）最后一項用于描述液體表面張力。

針對波浪在淺灘破碎變形計算，本文設置如下的計算參數(shù)，并在可能發(fā)生波浪破碎的區(qū)域增加網(wǎng)格數(shù)量，數(shù)值模擬工況同表1。

圖3為數(shù)值模擬設置示意圖，數(shù)學模型網(wǎng)格的布置細部是通過加密水面線附近的計算網(wǎng)格，可以有效的模擬波面變化的情況，且可以減少整體網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率。同時對珊瑚礁坡與礁坪交接處的加密網(wǎng)格，可以精細模擬波浪演變破碎的流場變化。數(shù)值模型的造波邊界采用動網(wǎng)格推板造波方式進行模擬，在控制方程中加入動量阻尼項，對尾端波浪進行消波處理。

圖3 數(shù)值模型設置示意圖Fig.3 Sketch of numerical model setup

3 試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖4顯示了距離造波板12．35 m處的G5波高儀記錄下的波浪歷時曲線，數(shù)值模擬結(jié)果對比顯示，曲線完整且二者變化趨勢較為一致，表面數(shù)值模擬較為真實可靠，此處波浪發(fā)生第1次破碎，波峰尖銳且發(fā)生前移，波谷后置且變緩，波勢能分布在其內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)移。圖5顯示了6臺波高記錄儀在同一時刻下的波浪沿程變化，與數(shù)值模擬結(jié)果對比一致。波浪在珊瑚礁臺破碎區(qū)明顯增高，破碎后由于發(fā)生劇烈摩擦導致波浪能量耗散。

圖4 距離造波板12.35 m處波面歷時曲線模擬與實驗對比Fig.4 Comparisons between simulated and experimental results of wave surface duration curve at 12.35 m from the wave plate

圖5 波浪沿程變化的試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison of experimental and numerical simulation results of the wave height variation across the flume

表2顯示了PIV試驗中高速CCD所拍攝下波浪變形過程照片，通過PIV流場分析和計算，得到波浪變形流場分布，通過與數(shù)值模擬結(jié)果對比較為一致。結(jié)果顯示波浪運動到達窗口左側(cè)，流速最大區(qū)域主要集中在波浪水舌處，方向向左且較為統(tǒng)一，水舌處正下方的水體向上涌動，其右側(cè)水體速度方向向左，而左側(cè)水體速度方向向右，之后由于水舌與水面發(fā)生接觸，對水體造成一定的沖擊，有大量氣泡進入水體內(nèi)部，因此該時刻水舌處速度矢量相對較為凌亂，有矢量交叉出現(xiàn)，水舌下方流速方向依然向上，水舌左側(cè)水體速度向左。

表2 波浪破碎變形的試驗圖片、流場分布與數(shù)值模擬結(jié)果對比Table 2 Comparison of test pictures,flow field distribution and numerical simulation results of wave breaking deformation

4 結(jié)語

珊瑚礁群在東南亞近岸帶分布十分廣泛，其分布形式特點明顯。隨著海床的抬高，波浪將在珊瑚礁臺上發(fā)生破碎變形等水動力過程，將影響到珊瑚礁生態(tài)環(huán)境和水工建筑物的受力情況等。本文通過自研發(fā)的同步延遲軟件控制PIV、造波系統(tǒng)、波高采集儀等設備，保障各采集儀器在20次重復試驗中均在同一個時間序列上進行采集。各采集儀同步采集了波浪通過珊瑚礁臺時的破碎流場變化過程數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示波浪在破碎前波高被突然抬升，破碎后波浪能量發(fā)生耗散。所采集的流場分布清晰，破碎過程中水體內(nèi)速度方向有部分反轉(zhuǎn)，流速最大處在水舌處。整個過程數(shù)值模擬結(jié)果與實驗較為一致，試驗流程和同步采集方法可靠。