波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

赫巖莉，毛鴻飛，林金波，吳光林

（廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，湛江 524088）

1 前言

波浪破碎是海洋中常見的物理現(xiàn)象，常以白泡形式出現(xiàn)在海面上。破浪破碎是波浪達(dá)到一定極限狀態(tài)后，不能維持其穩(wěn)定性而發(fā)生波面坍塌的現(xiàn)象，因其具有間歇性、瞬時性、隨機(jī)性等特點，發(fā)展過程極其復(fù)雜，目前波浪破碎物理過程研究仍處在發(fā)展階段，還不能明確波浪破碎的具體過程和本質(zhì)原因。

波浪破碎不僅對海氣交換、波能轉(zhuǎn)化及海洋紅外遙感等具有重要影響，而且對海洋工程、人民生計和生命安全具有關(guān)鍵作用。當(dāng)波浪發(fā)生破碎時，往往會對海洋、近海工程結(jié)構(gòu)物強度造成不同程度削弱，當(dāng)波浪較大或作用頻繁時，還可能摧毀結(jié)構(gòu)物，引發(fā)巨大災(zāi)難，甚至造成人類生命喪失。因此研究破碎波非線性特征、了解波浪破碎過程、探究波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)，將對確定波浪荷載、合理設(shè)計海洋結(jié)構(gòu)具有重大意義。

2 波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

常見的波浪破碎有兩種型態(tài)，即崩破和卷破，如圖 1 所示：在深水情況下，常見的破碎型態(tài)為崩破；在淺水緩坡情況下，常見破碎型態(tài)為崩破，如果坡度較陡則可發(fā)生卷破。無論何種破碎類型，在即將發(fā)生破碎時，都會出現(xiàn)一個極限狀態(tài)，經(jīng)過該狀態(tài)后破碎發(fā)生。目前國內(nèi)外研究學(xué)者，基于幾何特征、動力學(xué)特征、運動學(xué)特征，對波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量分析，并獲得了不少研究成果。

圖 1 破碎型態(tài)示意圖

2.1 基于幾何特征

從幾何特征出發(fā)：Stokes指出，行進(jìn)波波峰頂角為120°是其最大值，并給出0.442 為波浪破碎的極限波陡；Longuet-Higgins通過對均勻波列進(jìn)行分析指出，當(dāng)波陡ka = 0.43 時，波浪能量密度最大，分析結(jié)果與Stokes幾乎一致，其中k 為波陡，a 為波浪幅值；Babanin 等通過對實驗、數(shù)值模型和野外實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析指出，波陡參數(shù)可獨自作為破碎判斷指標(biāo)，其結(jié)果支持Stokes的結(jié)論。然而也有研究指出，波陡單獨不適合作為波浪破碎指標(biāo)；Rapp 和Melville通過實驗研究指出，當(dāng)波陡為0.25 時波浪發(fā)生破碎，這說明波陡在沒有達(dá)到0.442 極限波陡之前波浪就已經(jīng)發(fā)生破碎，因此Rapp 和Melville指出，除線性聚焦作用以外，非線性作用使得波浪提前發(fā)生破碎；Tulin 和Waseda通過實驗研究指出，調(diào)制不穩(wěn)定機(jī)制引起的波浪破碎波陡波動范圍介于0.22 ～ 0.41 之間；于洋等采用實驗方法，給出與波浪不對稱參數(shù)相關(guān)的破碎指標(biāo)，并指出該指標(biāo)與相對水深相關(guān)，當(dāng)水深變淺時指標(biāo)增加；馮衛(wèi)兵等采用高分辨率實驗技術(shù)方法，給出判斷淺水不對稱波浪的破碎指標(biāo)。

綜上可知，通過不同學(xué)者對波浪幾何特征參數(shù)分析；選取波陡作為破碎判斷指標(biāo)還存在很多疑問，還沒有統(tǒng)一性的結(jié)論，依然有待于進(jìn)一步的研究。

2.2 基于動力學(xué)特征

基于動力學(xué)特征，很多學(xué)者對波浪破碎指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)研究：Schultz 等針對規(guī)則波進(jìn)行分析指出，比起波峰與波峰間所確定的波高，勢能均方根波高更加適合用于判斷波浪破碎情況；還發(fā)現(xiàn)勢能破碎標(biāo)準(zhǔn)是能量輸入率的函數(shù)，隨著能量輸入率由小到大，波浪可由崩破過渡到卷破；同時給出當(dāng)波浪勢能約為總能量的52%時波浪破碎發(fā)生；Song 和Banner采用數(shù)值計算，對不同類型波群破碎情況進(jìn)行研究，結(jié)果顯示局部最大能量密度的無因次化增長率可作為破碎判斷的指標(biāo)；Tian 等對Song 和Banner破碎標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗證，結(jié)果指出破碎標(biāo)準(zhǔn)對局部波數(shù)較敏感；Oh 等實驗分析結(jié)果表明，動力學(xué)破碎標(biāo)準(zhǔn)針對強風(fēng)作用下波浪破碎判斷具有很好的效果；劉殿勇采用實驗方法較全面的對三維波浪破碎進(jìn)行了研究，指出波浪聚焦頻率失調(diào)是引起波浪破碎能量損耗的主要原因。

綜上所述，由基于動力學(xué)特征進(jìn)行波浪破碎指標(biāo)分析可知，破碎指標(biāo)的結(jié)果隨著分析方法和波浪類型不同而變化，目前也尚未有統(tǒng)一的結(jié)論，仍需要進(jìn)行深入研究。

2.3 基于運動學(xué)特征

很多學(xué)者從運動學(xué)特征也對波浪破碎進(jìn)行了大量研究：Qiao 和Duncan對崩破進(jìn)行了實驗研究，分析結(jié)果表明當(dāng)波浪發(fā)生破碎時，波峰水質(zhì)點速度與波浪相速度之比約1.0 ～ 1.3。但隨著研究人員的深入分析，越來越多的研究結(jié)果表明當(dāng)水質(zhì)點水平速度小于波浪相速度時，波浪也可發(fā)生破碎；Stansell 和Macfarlane通過實驗并結(jié)合三種相速度定義，對破碎標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明基于三種相速度的運動學(xué)標(biāo)準(zhǔn)有很大差別，但均大于質(zhì)點水平速度；Oh 等針對深水破碎波進(jìn)行了實驗分析，結(jié)果表明基于幾何特征和運動學(xué)特征破碎標(biāo)準(zhǔn)不能很好地對波浪破碎進(jìn)行預(yù)測。由此可見，以水質(zhì)點水平速度和相速度之比等于1 作為判斷破碎標(biāo)準(zhǔn)仍存在不足。

截至目前為止，基于幾何、動力學(xué)和運動學(xué)特征的破碎標(biāo)準(zhǔn)研究依然存在很多不確定性，無法對破碎指標(biāo)給出統(tǒng)一的結(jié)果，因此還需要加深理解波浪演化破碎的本質(zhì)過程，才能基于物理過程進(jìn)行波浪破碎分析。

3 波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)研究目前存在的困難

由以上內(nèi)容可知，針對波浪破碎目前還沒有統(tǒng)一的破碎判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于波浪破碎過程復(fù)雜，研究分析存在很多困難，主要有以下幾個方面：

3.1 破碎階段難以劃分

基于波浪破碎過程復(fù)雜，很難確定什么時間、什么位置發(fā)生了破碎；同時從波浪出現(xiàn)白沫開始，也較難區(qū)分選作為分析破碎指標(biāo)的主要階段是演化過程中的哪部分。目前研究大多沒有對波浪破碎過程進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分，而是將破碎看成為整體進(jìn)行分析。然而破碎過程各階段的波浪非線性特征和能量損耗等是變化的，對破碎指標(biāo)影響也是不同的，因此詳細(xì)進(jìn)行破碎過程區(qū)分是目前研究的緊要但又難以解決的問題。

3.2 極限狀態(tài)不易捕捉

大量研究和實際觀測表明，波浪破碎具有短暫性、隨機(jī)性、間歇性、不確定性等特性，無論是實驗測量還是野外實測，針對波浪破碎的捕捉都存在很大難度。隨著科技進(jìn)步，高速攝像機(jī)的出現(xiàn)對破碎測量準(zhǔn)確性起到了很大推動作用，增加了波浪破碎捕捉精確性，但基于破碎過程復(fù)雜性加之儀器分辨率限制，仍然不能徹底解決破碎捕捉問題。除此之外，精確度高的設(shè)備儀器價格比較昂貴，目前仍不能得到廣泛應(yīng)用。

3.3 測量技術(shù)需要加強

破碎捕捉中比較重要的環(huán)節(jié)之一就是測量技術(shù)。無論是在實驗室還是在野外進(jìn)行測量時，因破浪破碎的不確定性，都存在破碎發(fā)生處沒有安置測量儀器的問題，或者因近距離安裝測量儀器會產(chǎn)生對水體的干擾，使得測量所得到的結(jié)果不能準(zhǔn)確反應(yīng)破碎的基本過程，而從中夾雜測量儀器的干擾信息，這也是目前破碎研究中存在的主要問題之一。

3.4 計算效率有待提高

隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，數(shù)值計算在波浪理論基礎(chǔ)研究中具有重要影響，對基本物理過程的深入分析起到了很大的推動作用。針對波浪破碎的數(shù)值研究，在模型和算法合理的情況下，由于破碎過程復(fù)雜性，一般需要大量網(wǎng)格對破碎情況進(jìn)行逼近，從而導(dǎo)致計算量非常大，同時對計算機(jī)的要求也比較高，尤其在進(jìn)行三維計算時，更是需要高效能的工作站等大型計算設(shè)備，因此目前針對波浪破碎的數(shù)值計算研究中，計算效率依然是難題之一，這也是流體力學(xué)和物理海洋研究中需要不斷改進(jìn)和優(yōu)化的任務(wù)之一。

4 波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)研究展望

波浪破碎不僅對實際工程具有關(guān)鍵作用，對氣候也有著重要影響，目前仍有許多問題有待于深入研究：

（1）首先，針對波浪破碎的理論還不完善。需要對破碎波的基礎(chǔ)理論進(jìn)行拓展，尤其是波浪破碎后產(chǎn)生的紊流問題，需要進(jìn)一步結(jié)合氣液耦合分析開展細(xì)致研究；

（2）其次，目前實測數(shù)據(jù)相對較少。而實測數(shù)據(jù)是真正能夠反映實際海浪問題的來源，只有不斷從實際情況中提取和分析數(shù)據(jù)，才能逐步認(rèn)識波浪物理過程的本質(zhì)。基于此，在未來研究中在合適條件下進(jìn)行野外實測分析將有利于拓展波浪破碎基本理論，減小比尺效應(yīng)對真實現(xiàn)象的影響，準(zhǔn)確反應(yīng)真實破碎現(xiàn)象的規(guī)律和機(jī)制；

（3）第三，針對不同類型破碎發(fā)展過程進(jìn)行分段分析。目前針對破碎波的分析，主要集中在整體破碎分析，但實際破碎過程是隨著時間和演化機(jī)理變化的，繼而使得波浪形狀、能量分布、特征參數(shù)、周圍水體等均有所不同。對破碎過程進(jìn)行合理劃分，是細(xì)化破碎研究的前提，進(jìn)而分析不同階段的破碎特征，因此基于不同破碎類型，細(xì)化破碎過程將是海洋工程領(lǐng)域未來研究內(nèi)容之一；

（4）最后，目前大量破碎波研究主要集中在分析單獨破碎特征內(nèi)容上。但實際海況中發(fā)生的往往是波浪連續(xù)破碎，使得能量大幅度下降。基于單個破碎可有效探明破碎發(fā)生過程中波浪成分的作用過程，為后續(xù)連續(xù)破碎研究做基礎(chǔ)，但若要闡明真實海浪破碎過程，還要進(jìn)一步分析前期破碎對隨后破碎的影響，從而探索能量損耗和重新分布基本過程，準(zhǔn)確有效確定波浪荷載，最終為海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供實際參考。

5 結(jié)論

本文對破浪破碎指標(biāo)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單介紹，對目前研究進(jìn)展進(jìn)行了主體概括，同時也給出了破碎波研究中所面臨的困難和技術(shù)瓶頸。在此基礎(chǔ)上，針對波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)研究，給出了需要深入分析的主體方向和需要完善的基礎(chǔ)研究理論。希望通過本文能使有關(guān)人員加深對波浪破碎標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀的了解，并針對目前的技術(shù)瓶頸和理論障礙進(jìn)行攻破。