風對孤立波海堤越浪特性影響的數(shù)值模擬研究

張良斌,屈 科*,2,3,黃競萱,王 旭,虢 磊

(1.長沙理工大學 水利與環(huán)境工程學院,湖南 長沙 410114; 2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114; 3.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114)

0 引言

海嘯通常由海底地震、火山爆發(fā)、海底滑坡或極端氣候變化等引起[1-3]。當海嘯從遠海傳播至近岸時,受海底地形變化、水深變淺以及海岸建筑物等的影響,波浪產(chǎn)生變形,波高迅速增大,在海堤附近會發(fā)生越浪現(xiàn)象。當越浪量超過一定極值時,會對沿海城鎮(zhèn)的基礎設施和人民的生命安全造成嚴重威脅,如2004年的印度尼西亞海嘯和2011年的東日本海嘯產(chǎn)生的影響[4-7]。有學者認為孤立波與海嘯有著相似的波形和水動力特性[8-9],因此近些年常用于模擬研究海嘯等類似淺水大波與海岸工程建筑物之間的相互作用。

設計海堤時,一般采用物理模型實驗或基于物理模型實驗的經(jīng)驗公式來計算越浪量。1992年DE WAAL 等[10]對斜坡式海堤的越浪開展了物理模型實驗的研究,提出了單斜坡的平均越浪量及最大越浪量的計算公式,并對岸灘坡度、水深以及堤頂超高等影響波浪爬高和越浪的因素進行了系統(tǒng)分析。HUNT[11]通過物理模型實驗系統(tǒng)研究了波群、聚焦波以及孤立波作用下海堤的越浪特性,分析了入射波高與單寬越浪量之間的關系。隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值模擬計算方法被逐漸運用到波浪與海岸建筑物的相互作用中。HSIAO 等[12]和LIN 等[13]根據(jù)孤立波在海堤上越浪過程的三種基本形態(tài),開展了一系列物理模型實驗和數(shù)值計算,對孤立波的傳播演變過程、海堤受力狀況、越浪量以及最大爬高進行了系統(tǒng)性的測量與分析。張金牛 等[14]通過數(shù)值波浪水槽系統(tǒng)研究了孤立波在斜坡式海堤上越浪的水動力特性,分析了相對波高、相對超高等對越浪量的影響。曾婧揚 等[15]采用兩相流模型對斜坡式海堤的越浪特性進行了研究,分析了堤頂超高和相對波高對越浪量的影響,給出了越浪流厚度和最大流速的分布形式和經(jīng)驗公式。王鍵 等[16]通過模擬不同斷面尺寸帶胸墻的斜坡堤越浪,分析了不同斜坡堤相關因素對平均越浪量的影響。萬德成 等[17-18]采用流體體積函數(shù)法 (volume of fluid, VOF)對孤立波越過潛堤和直立柱的黏性流動進行了數(shù)值模擬。學者還通過數(shù)值模擬分析了向岸風對孤立波在不同建筑物上傳播演變的影響,如海岸橋梁、不透水人工島礁等,研究結果發(fā)現(xiàn),向岸風對孤立波的傳播變形、破碎有顯著影響,會增大波浪沖擊建筑物的水動力荷載[19-21]。總體而言,目前對向岸風作用下孤立波在海堤上的越浪水動力過程的研究比較少。本文基于二維不可壓縮兩相流數(shù)值模型,系統(tǒng)研究了向岸風風速、入射波高、堤頂超高、岸灘坡度以及海堤坡度等因素對孤立波在斜坡式海堤上越浪水動力特性的影響,以期對海岸工程的防護提供參考。

1 控制方程和數(shù)值方法

1.1 控制方程

基于兩相流數(shù)值模型,液體和空氣均被認為是不可壓縮的,流體的黏滯系數(shù)假定為常數(shù),向岸風作用下孤立波與海堤之間的相互作用可用連續(xù)性方程和動量方程[22]進行表示:

(1)

(2)

式中:ui和uj表示笛卡爾坐標系下的速度分量(i、j=1、2,分別表示二維流體運動的水平和垂直兩個方向);xi和xj表示笛卡爾坐標系下的坐標分量;t表示時間;p表示靜壓;ρ表示混合流體密度,ρref表示參考密度;μl表示層流動力黏度,μt表示湍流動力黏度,有效動力黏度μeff=μl+μt;gi表示垂直方向上的重力加速度,取9.81 m·s-1。

1.2 數(shù)值方法

采用非結構化網(wǎng)格單元上的有限體積法對公式(1)和(2)進行離散。采用壓力隱式算法(pressure implicit with splitting of operators, PISO)對壓力和速度進行耦合求解[23]。采用一階迎風格式和二階伽馬格式的加權組合方法對對流項進行離散[24-25]。為保證計算的精度和穩(wěn)定性,采用動量平衡插值法[26]對控制單元從中心到表面進行速度插值,并利用二階中心差分法對壓力梯度項和擴散項進行離散。

采用WILOCX[27]的經(jīng)典兩方程中的k-ω湍流模型確定湍流動力黏度μt,并通過求解以下湍流運輸方程得到湍動能k和湍流耗散率ω:

(3)

(4)

式中:cμ、cω1、cω2、σω和σk為常數(shù),cμ=0.09,cω1=5/9,cω2=5/6,σω=σk=2;S表示流體的應變率張量,|S| 表示其數(shù)值的大小:

(5)

采用VOF方法捕捉水和空氣的交界面,控制方程如下:

(6)

式中:γ表示網(wǎng)格單元中的水相體積分數(shù),不同的水相體積分數(shù)值代表不同的含義。γ=1表示流體單元,γ=0表示空氣單元,0<γ<1表示水和空氣的混合單元。

計算域中,控制單元內(nèi)的混合流體密度和層流動力黏度可用以下公式進行計算:

ρ=ρair+γ·(ρwater-ρair)

(7)

μl=μair+γ·(μwater-μair)

(8)

式中:ρair和ρwater分別表示空氣和水的密度,μair和μwater分別表示空氣和水的動力黏度。

2 數(shù)值模型驗證

2.1 孤立波在斜坡式海堤上的越浪量驗證

為驗證數(shù)值模型計算孤立波在斜坡式海堤上越浪水動力過程的準確性,將數(shù)值計算結果與HUNT[11]的實驗數(shù)據(jù)進行對比。實驗區(qū)域布置如圖1所示。模型水槽長36.000 m,寬27.000 m,高3.000 m,斜坡布置在距離造波區(qū)8.330 m處,海堤布置在距離斜坡坡腳8.125 m處,海堤兩側的坡度為1∶2,海堤的堤頂寬度為0.215 m,海堤的堤頂高度為0.617 m。實驗中入射波高H為0.10 m,靜止水深h為0.50 m,實驗采用5個浪高儀(WG1～WG5)來測量孤立波在斜坡式海堤上的傳播變形過程。進行數(shù)值模擬計算時,為驗證網(wǎng)格無關性,采用三套不同分辨率的網(wǎng)格進行計算。數(shù)值模擬的孤立波波高時程曲線與實驗數(shù)據(jù)的對比如圖2所示,個別測點與實驗數(shù)據(jù)有些許差異,可能是數(shù)值模型網(wǎng)格劃分帶來的離散誤差所致,但總體上孤立波的波峰和波形與實驗結果吻合較好。圖3表示不同時刻的沿程水位高程的空間分布,通過對比發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬的水位高程的沿程空間分布與實驗結果吻合較好。孤立波的時程越浪量變化如圖4所示,數(shù)值模型很好地模擬了孤立波在海堤上的越浪水動力過程。

圖1 實驗區(qū)域布置圖[11]Fig.1 Experimental layout[11]

圖2 不同測點處的波高時程曲線Fig.2 The temporal evolution of wave height for different wave gauges

圖3 不同時刻的沿程水位高程空間分布Fig.3 Spatial distributions of wave elevation at different times

圖4 孤立波的時程越浪量Fig.4 The temporal evolution of solitary wave overtopping volume

2.2 風影響下規(guī)則波傳播變形的驗證

為驗證數(shù)值模型計算風對波浪傳播變形的準確性,與JIANG 等[28]的物理模型實驗結果進行對比(圖5)。模型水槽長45.000 m,寬0.800 m,高1.000 m,斜坡坡度為 1∶10,距造波邊界13.250 m。每間隔0.600 m布設一個測點,共布設7個測點,第一個測點布設在坡腳處。實驗中規(guī)則波的波高H為0.07 m,入射波周期T為1.5 s,靜止水深h為0.40 m,恒定風速Uw為5.0 m·s-1。不同測點處數(shù)值模擬的波高時程曲線與實驗數(shù)據(jù)的對比結果(圖6)顯示,數(shù)值計算結果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好,該數(shù)值模型可用于計算風對波浪傳播變形的影響。

圖5 實驗區(qū)域布置圖[28]Fig.5 Experimental layout[28]

圖6 不同測點處的波高時程曲線Fig.6 The temporal evolution of wave height for different wave gauges

3 工況設置與結果分析

圖7 計算區(qū)域布置圖Fig.7 Computational layout

(9)

當S0<0.025時,表示為激破波;當0.0250.370時,表示為非破碎波。表1表示數(shù)值計算的工況以及不同工況設置下的孤立波的破碎類型:在岸灘坡度cotα=10時,孤立波的破碎類型為激破波,其它工況的孤立波破碎類型均為卷破波。

表1 數(shù)值模擬工況和波浪破碎類型Tab.1 Parameter setup of numerical simulation and wave breaking types

3.1 水動力特性分析

圖8 有風和無風時不同時刻水體的速度云圖Fig.8 Velocity contours of water body at different time moments in windy and windless conditions

圖9 有風和無風時孤立波爬高(a)和越浪量(b)時程曲線對比Fig.9 Comparison of the time series of solitary wave runup height (a) and volume of overtopping water (b) in windy and windless conditions

圖10 有風和無風時海堤所受的水動力荷載Fig.10 Hydrodynamic forces exerted at the seawall in windy and windless conditions

圖11 有風和無風時沿程最大水位高程空間分布Fig.11 Spatial distributions of the maximum water elevation in windy and windless conditions

3.2 風速的影響

圖13 不同風速下孤立波的最大爬高(a)和最大越浪量(b)Fig.13 Maximum runup height (a) and maximum overtopping volume (b) of solitary wave under different onshore wind speeds

圖14 不同風速下不同測點處相對波高的比較Fig.14 Comparison of relative wave height for different wave gauges under different onshore wind speeds

圖15 不同風速下沿程最大水位高程空間分布Fig.15 Spatial distributions of the maximum water elevation under different onshore wind speeds

3.3 入射波高的影響

圖17 不同入射波高下有風和無風時不同測點處相對波高的比較Fig.17 Comparison of relative wave height for different wave gauges in windy and windless conditions under different incident wave heights

圖18 不同入射波高下有風和無風時沿程最大水位高程空間分布Fig.18 Spatial distributions of the maximum water elevation in windy and windless conditions under different incident wave heights

3.4 堤頂超高的影響

圖19 不同堤頂超高下有風和無風時孤立波的最大爬高(a)和最大越浪量(b)Fig.19 Maximum value of runup height (a) and maximum overtopping volume (b) of solitary wave in windy and windless conditions under different dimensionless crest freeboards

圖20 不同堤頂超高下有風和無風時不同測點處相對波高的比較Fig.20 Comparison of relative wave height for different wave gauges in windy and windless conditions under different dimensionless crest freeboards

圖21 不同堤頂超高下有風和無風時沿程最大水位高程空間分布Fig.21 Spatial distributions of the maximum water elevation in windy and windless conditions under different dimensionless crest freeboards

3.5 岸灘坡度的影響

圖22 不同岸灘坡度下有風和無風時孤立波的最大爬高(a)和最大越浪量(b)Fig.22 Maximum value of runup height (a) and maximum overtopping volume (b) of solitary wave in windy and windlessconditions under different beach slopes

圖23 不同岸灘坡度下有風和無風時不同測點處相對波高的比較Fig.23 Comparison of relative wave height for different wave gauges in windy and windless conditions under different beach slopes

圖24 不同岸灘坡度下有風和無風時沿程最大水位高程空間分布Fig.24 Spatial distributions of the maximum water elevation in windy and windless conditions under different beach slopes

3.6 海堤坡度的影響

圖25 不同海堤坡度下有風和無風時孤立波的最大爬高(a)和最大越浪量(b)Fig.25 Maximum value of runup height (a) and maximum overtopping volume (b) of solitary wave in windy and windless conditions under different seawall slopes

圖26 不同海堤坡度下有風和無風時不同測點處相對波高的比較Fig.26 Comparison of relative wave height for different wave gauges in windy and windless conditions under different seawall slopes

圖27 不同海堤坡度下有風和無風時沿程最大水位高程空間分布Fig.27 Spatial distributions of the maximum water elevation in windy and windless conditions under different seawall slopes

4 結論

1)有向岸風時,孤立波越浪的水動力特性更為顯著,孤立波水體高速流動區(qū)域明顯增大,破碎時刻和破碎位置均會提前,在海堤上更早地發(fā)生越浪過程。

2)隨著向岸風風速的增大,孤立波波峰水體流速會增大,孤立波在斜坡式海堤上的最大爬高、最大越浪量以及沿程最大水位高程均有所增大。

3)隨著入射波高的增大和堤頂超高的減小,孤立波的最大爬高、最大越浪量以及沿程最大水位高程逐漸增大。

4)隨著岸灘坡度的增大,孤立波在岸灘上損失的能量減少,最大爬高、最大越浪量均有所增大。

5)隨著海堤坡度的增大(除cotβ=0外),孤立波的最大爬高和最大越浪量分別增大和減小。