深水波在风力强迫和波浪下的演变破坏效应：数值模拟和实验评估外文翻译资料

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深水波在风力强迫和波浪下的演变破坏效应：数值模拟和实验评估

1)韩国海洋系统工程学院高级科学技术研究所（KAIST），大田305-701，

大韩民国

2)海军建筑系，Exmar Offshore Company，Houston，TX 77042，USA

3)数学科学系，应用数学和统计中心，新泽西理工学院，纽瓦克，新泽西州07102，美国

摘要:在深水中风力强迫和波浪破坏效应下的二维色散聚焦波群的演化数值研究，风波实验收集的测量值用于评价数值模拟。通过在动态边界条件中引入表面坡度相干压力分布来模拟风力，通过Miles的剪切不稳定性理论和Jeffreys的掩蔽模型表示。为了激活Jeffreys在模拟风力发展中的波浪模型，提出了一种取决于风速和波浪陡度的气流分离标准。通过在模拟中包括风驱动电流来进行测量和模拟的直接比较。为了模拟破碎波，将涡流粘度模型结合到非线性进化方程的系统中以消散波能并预测破碎后的表面高度。对于没有风作用的波群，涡流粘度模型很好地模拟了破碎波的能量耗散，并且很好地预测了破碎后的表面高度。在较弱的风力条件下，在考虑风驱动电流之后，数值模型产生满意的预测。随着风力变强，实验和模拟之间的差异变得更加明显，而数值结果仍被认为是可接受的。通过附加的数值试验来讨论Miles和Jeffreys对风力作用下波浪的相对重要性。

关键词：水波; 波浪破碎; 强迫

1.介绍

非线性水波的演变的精确预测对于在严重海洋状况下操作的船舶和海上结构是至关重要的，其中可能发生极端事件，例如畸形波。 由于海洋传统上被认为是随机的，所以它们的描述通常是通过对统计学相关的性质进行量化，例如波谱，并且忽略单个波的相位。然而，相位平均方法不能描述本地波动力学，并且可能不提供足够的信息以满足工程设计要求。最近，使用相位分辨非线性波模^【1】对海洋的确定性预测已经取得了很大的进展。

海浪的确定性预测是一个非常具有挑战性的任务，因为波场演化涉及许多复杂的物理过程，例如波浪，风波和波浪电流相互作用。风吹过海面，并通过海洋相互作用将动量和能量传递到地面波。所产生的波可以在连续风力作用下生长，并且它们的能量通过非线性波 - 波相互作用在不同分量之间重新分布。 波浪破裂也发生并且耗散波能量，其中的一部分可能有助于表面电流的产生。涉及的一些物理过程，例如，风力迫使和波浪破碎，还不是很好理解，因此，适当的模式的发展仍然具有挑战性。

对于非线性水波演化的预测，West等人开发了使用渐近扩展的伪光谱法^【2】。 这种方法结合快速傅立叶变换^【3】已被证明是一个准确和有效的工具来模拟不间断的不规则波。 最近，伪频谱法进一步发展和应用于模拟破碎波的能量耗散^【4】、并预测风力作用下的波浪演化^[5]。

风对非线性水波的演化的影响可以通过在动态自由表面边界条件中引入外表面压力来建模。一个模型假设风引起的压力与波表面坡度同相，并且取决于由于风力作用在表面上的摩擦速度^[6]。该模型源自Miles的剪切流动不稳定理论^[7]，用于产生波浪，并假设没有气流分离。利用这个简单的模型，Banner和Song基于局部能量收敛速度研究了风力强迫效应对破波准则的性能。此外，Kalmikov使用光谱法对风力作用下非线性水波的演化进行了确定性预测。这两个数值研究都没有提供这种风力模型的性能的实验评估。

风力的另一个模型是基于杰弗里斯的掩护假说^[8]。这个模型还包括在自由表面上的波浪相干压力，但是应该只适用于空气流分离的波浪^[9]。虽然它已被应用于研究在风力作用下的极端波浪，掩蔽模型仍然有争议，必须仔细测试与实验。 Toubouletal^[10]是第一个使用掩蔽模型来研究从风力散射聚焦波群产生的怪异波。由于他们的研究的焦点，以及他们的波群的高初始陡度，在数字上再现他们的实验不是微不足道的，并且仅执行有限的掩蔽模型的性能的评估。他们的后续研究^[11]调查了对极端海浪的风力作用。通过实验观察和具有类似掩蔽模型的数值模拟讨论了风对由于空气流分离而可能维持的极端波的影响。 Yan和Ma对畸形波和风的相互作用进行了CFD模拟，发现掩蔽假说可能不能准确描述畸形波的压力。即使掩蔽模型被接受为物理上足够的模型，在数值模拟中采用该简单模型之前，必须知道发生空气流分离的条件。事实上，由于其在风波相互作用过程中的重要性，确定用于水波上的气流分离的标准已经是一个有趣的主题。 Wu提出，当摩擦速度大于波相速度时，会发生伴随下面风的水波的气流分离。后来，Banner和Melville认为空气流分离只在存在破浪时才发生。他们设法通过烟雾可视化观察到在稳定的断裂峰上的气流分离，并且在不间断的稳定波上观察到非分离的流。然而，Kawai和Weissman提出了在不断裂的风浪气流分离的可能性，并支持他们的论点流动可视化实验。最近，Kharifetal使用由热和冷线组成的装置来检测频率聚焦波群上的气流分离，并且确定接近0.35的临界局部波斜率（zeta;zeta;/part;x）以指示气流分离的开始。 Kharifetal^[12]进一步指出，空气流分离通常伴随破碎波。在数值研究中，Toubouletal选择临界斜率（part;zeta;/part;x）= 0.5来预测气流分离的开始。该标准没有提供实验支持。Kharifetal采用临界局地波坡度part;zeta;/part;x〜0.35来表示其数值模拟的气流分离开始。气流分离的临界斜率的差异可能来自这些研究中考虑的不同的风力条件。因此，应提出一种改进的准则，可能取决于局部波坡和风速，用于掩蔽模型的应用。

总体而言，上述非线性水波在风力作用下演化的数值模式的综合实验评价是稀疏的。在这项研究中，作为开发更强大的风波相互作用模型的第一步，我们进行非线性水波在风力作用下的实验室实验，以评估两个现有的风力模型，即迈尔斯和杰弗里的模型的适用性，评估他们的表现。此外，为了解决观察到的在先前的数值模拟中采用的空气流分离标准的不一致性，提出了考虑风速和波陡度的分离标准。其余的研究组织如下。在介绍之后，给出了数值模型的详细描述。第3节提供实验设置，波群生成和风力条件。实验和数值结果，以及它们的比较，在第4节中给出。最后一节总结主要发现和结束这项研究。

2．数值模型

为了预测水波的演化，Westetal开发了一种基于渐近扩展的非线性波模型，其中波动力由自由表面上的表面高程zeta;和速度势Phi;的非线性演化方程的以下系统控制^【13】： (1)

这里Qn和Rn是可以通过递归公式显式编写的两个非线性算子，N是截断右侧的原始无限序列的非线性的阶数。 该模型可以使用基于快速傅里叶变换的有效伪频谱方法来数值求解，并且已知对于预测不间断的不规则波演进是准确和有效的。

然而，当波浪破裂发生时，模拟不能提供可靠的预测。 在存在波浪破碎的情况下，水表面附近的波浪诱导的流变成湍流和多相的，并且没有流的分析描述是可能的。 然而，波浪破坏效应必须被考虑用于合理地预测水波的演化。 另外，对风力作用下的非线性波建模风力强迫效应是必要的，其将能量传递到波，引起波生长，并且显着影响波动力。 为了模拟这些效应，由（1）给出的非线性演化方程被修改为：

（2）

(3)

其中Dzeta;和DPhi;是由于波浪破裂的能量耗散项，并且Pi;可以表示由风在陡峭或破碎波浪的作用下引起的压力项。

2.1． 波破坏模型

在我们以前的研究^【14】中，我们开发了一种涡流粘度模型，以模拟使用边界层方法和尺寸分析的二维不稳定插入断路器中的能量耗散：

(3)

其中涡流粘度v est依赖于断裂强度并且可以通过与断裂事件相关联的时间和长度尺度来估计：

(4)

这里，T_br定义为波峰开始下降到表面扰动前沿不再明显的时间; L_br是初始断裂到明显表面扰动结束的距离; H_br是指下降的嵴高^[15];alpha;是比例常数，alpha;= 0.02。我们强调，在给定波浪破坏事件的T_br的有限期间，我们的波破坏模型在L_br的有限空间范围内使用恒定的涡流粘度。 然而，涡流粘度veddy是动态确定的，并且根据特定破裂事件的破裂强度而变化。

注意，Drazen和Melville提出了一种用于估计涡流粘度的替代公式，该公式进行了由不稳定断裂波引入的湍流混合的测量。 虽然他们的兴趣在于由波浪破碎事件（数十波周期的时间尺度）产生的涡流的涡流粘度，但是本研究集中于在破裂之后的一个或两个波浪周期内由于波浪破裂对能量耗散建模。 他们的研究细节可以在[15]中找到。注意，它们的涡流粘度项没有为任何确定性波模型用于预测断裂波演化建模，因此，两个涡流粘度模型之间的直接比较不是直接的。为了在数值模拟中实现涡流粘度模型，Tianetal使用临界表面斜率Sc =（part;xi;/part;x）c = 0.95表示波浪破裂，使涡流粘度模型生效，预破坏参数和破碎后尺度之间的三组相关性 即H_br、T_br及L_br以估计涡流粘度非线性水波的演变的精确预测对于在严重海洋状况下操作的船舶和海上结构是至关重要的，其中可能发生极端事件，例如畸形波。 由于海洋传统上被认为是随机的，所以它们的描述通常是通过对统计学相关的性质进行量化，例如波谱，并且忽略单个波的相位。然而，相位平均方法不能描述本地波动力学，并且可能不提供足够的信息以满足工程设计要求。最近，使用相位分辨非线性波模^【1】对海洋的确定性预测已经取得了很大的进展。

海浪的确定性预测是一个非常具有挑战性的任务，因为波场演化涉及许多复杂的物理过程，例如波浪，风波和波浪电流相互作用。风吹过海面，并通过海洋相互作用将动量和能量传递到地面波。所产生的波可以在连续风力作用下生长，并且它们的能量通过非线性波 - 波相互作用在不同分量之间重新分布。 波浪破裂也发生并且耗散波能量，其中的一部分可能有助于表面电流的产生。涉及的一些物理过程，例如，风力迫使和波浪破碎，还不是很好理解，因此，适当的模式的发展仍然具有挑战性。

对于非线性水波演化的预测，West等人开发了使用渐近扩展的伪光谱法^【2】。 这种方法结合快速傅立叶变换^【3】已被证明是一个准确和有效的工具来模拟不间断的不规则波。 最近，伪频谱法进一步发展和应用于模拟破碎波的能量耗散^【4】、并预测风力作用下的波浪演化^[5]。

风对非线性水波的演化的影响可以通过在动态自由表面边界条件中引入外表面压力来建模。一个模型假设风引起的压力与波表面坡度同相，并且取决于由于风力作用在表面上的摩擦速度^[6]。该模型源自Miles的剪切流动不稳定理论^[7]，用于产生波浪，并假设没有气流分离。利用这个简单的模型，Banner和Song基于局部能量收敛速度研究了风力强迫效应对破波准则的性能。此外，Kalmikov使用光谱法对风力作用下非线性水波的演化进行了确定性预测。这两个数值研究都没有提供这种风力模型的性能的实验评估。

风力的另一个模型是基于杰弗里斯的掩护假说^[8]。这个模型还包括在自由表面上的波浪相干压力，但是应该只适用于空气流分离的波浪^[9]。虽然它已被应用于研究在风力作用下的极端波浪，掩蔽模型仍然有争议，必须仔细测试与实验。 Toubouletal^[10]是第一个使用掩蔽模型来研究从风力散射聚焦波群产生的怪异波。由于他们的研究的焦点，以及他们的波群的高初始陡度，在数字上再现他们的实验不是微不足道的，并且仅执行有限的掩蔽模型的性能的评估。他们的后续研究^[11]调查了对极端海浪的风力作用。通过实验观察和具有类似掩蔽模型的数值模拟讨论了风对由于空气流分离而可能维持的极端波的影响。 Yan和Ma对畸形波和风的相互作用进行了CFD模拟，发现掩蔽假说可能不能准确描述畸形波的压力。即使掩蔽模型被接受为物理上足够的模型，在数值模拟中采用该简单模型之前，必须知道发生空气流分离的条件。事实上，由于其在风波相互作用过程中的重要性，确定用于水波上的气流分离的标准已经是一个有趣的主题。 Wu提出，当摩擦速度大于波相速度时，会发生伴随下面风的水波的气流分离。后来，Banner和Melville认为空气流分离只在存在破浪时才发生。他们设法通过烟雾可视化观察到在稳定的断裂峰上的气流分离，并且在不间断的稳定波上观察到非分离的流。然而，Kawai和Weissman提出了在不断裂的风浪气流分离的可能性，并支持他们的论点流动可视化实验。最近，Kharifetal使用由热和冷线组成的装置来检测频率聚焦波群上的气流分离，并且确定接近0.35的临界局部波斜率（zeta;zeta;/part;x）以指示气流分离的开始。 Kharifetal^[12]进一步指出，空气流分离通常伴随破碎波。在数值研究中，Toubouletal选择临界斜率（part;zeta;/part;x）= 0.5来预测气流分离的开始。该标准没有提供实验支持。Kharifetal采用临界局地波坡度part;zeta;/part;x〜0.35来表示其数值模拟的气流分离开始。气流分离的临界斜率的差异可能来自这些研究中考虑的不同的风力条件。因此，应提出一种改进的准则，

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