近岸带珊瑚礁台波浪破碎变形流场结构的试验和数值模拟

郑茜，张陈浩

（1．天津大学仁爱学院，天津 301636；2．中交（天津）生态环保设计研究院有限公司，天津 300461）

0 引言

珊瑚礁群广泛分布于海洋近岸带，其地形特征通常是由珊瑚礁坪、礁缘和礁坡组成。较为理想状态下，珊瑚礁坪连接海岸长达几千米，这种地形在南亚和东南亚海域尤为常见。波浪通过珊瑚礁群传播至近海岸线过程中，沿着礁坡爬升后到达礁坪时，由于水深迅速降低，导致波浪发生破碎和变形。其水动力过程对珊瑚礁群的生态环境、水深变化以及建设在近岸带的水工建筑物会产生较大的影响。因此对波浪穿过珊瑚礁群变形特性和流场结构的试验和模拟显得十分重要。

国内外的许多学者对珊瑚礁上的波浪变形进行了试验和模拟研究，姚宇[1]等通过波浪水槽实验对珊瑚岸礁破碎带附近波浪演变规律开展研究，总结了礁坪上波浪破碎的关键参数。张其一[2]等采用SWASH模型对珊瑚礁地形上波浪传播变形的非静压进行数值模拟，揭示了礁坪上波浪能量转移的现象。柳淑学[3]等对规则波和不规则波在珊瑚礁地形上的波浪破碎特性进行了试验研究，拟合得到该地形条件下波浪破碎指标和破碎后沿程波高的计算公式。S．R．Massel[4]等在 Gourlay[5]实验结果的基础上建立了波浪破碎和增水数值模型。Ernest R．Smith[6]等对规则波和随机波传播至沙坝和人工1/30的礁坡时的破碎特性进行了试验研究。

在试验研究方面，通常采用收集波浪沿程波高一维数据采集方式，分析波浪破碎特性[8-9]。本文基于粒子图像测速技术PIV，采集波浪通过1∶6斜率的礁坡后在礁坪发生破碎时的二维流场变化。并通过基于OpenFOAM的数值模型，模拟了该工况下的流场结构演变情况。

1 试验配置

试验在长沙理工大学港口海岸及近海工程省重点实验室45 m×0．8 m×1．0 m波流试验水槽中完成。PIV采用美国TSI公司的双脉冲YAG激光粒子图像测速仪，珊瑚礁波浪破碎试验设置如图1所示。

图1 珊瑚礁波浪破碎试验布置图（m）Fig.1 Layout of wave breakage experiment of coral reefs(m)

PIV激光发射器设置在礁缘与礁坪连接处，距离造波板20 m，不受造波板本身的造波干扰。结合Gourlay[5-7]研究结果，通过预备试验发现当平台水深hr与波高H0的比值hr/H0大于2．8时，波浪自由传播通过平台而不破碎，为临界波浪破碎条件。本实验选取工况为hr/H0=0．05/0．025=2属于典型的破碎波，因此试验选定的规则波工况为波高 2．5 cm、水深 0．4 m、 周期 1．25 s。参数设置见表1。

表1 波浪入射条件参数和仪器设置表Table 1 Wave incident condition parameters and instrument settings

图2为本试验流程示意图，本试验使用自研发的同步延迟软件，其分别被安装在造波控制电脑、波高采集电脑及PIV软件控制电脑中，用于设置各试验设备的延迟触发时间。其中波高采集系统的采集延迟触发的时间为40 s，目的是消除造波机开始造波时的不稳定波。造波机控制电脑为试验开始的触发机，当造波机开始造波的同时将发送命令达波高采集系统，其接收命令后开始倒计时，40 s后波高采集系统及CCD采集系统将自动开始采集数据。考虑到安全因素，PIV的激光器需手动打开，打开的时刻为CCD采集系统开始工作之前的几秒钟，让激光先于CCD工作，这样可保证激光发射时间覆盖CCD整个采集周期。波高采集系统设置采集时间为60 s，采集完毕将自动停止，CCD共采集88对图片，采集完毕将自动停止，同时将自动关闭PIV激光。以上流程结束后，保存好相应试验数据，则一轮试验完毕。使用同步软件控制CCD、波高采集仪以及造波机的同步触发或延迟触发可以保证数据在时间序列上的统一性。

图2 试验流程示意图Fig.2 The flow diagram of the experiment

2 数学模型

本文采用基于C++语言编写的开源计算流体力学工具箱OpenFOAM（Open Field Operation and Manipulation），选用基于VOF法求解自由液面的动网格求解器interDyMFoam，引入动网格技术，结合造波及消浪边界，建立完整的二维数值波浪水槽，控制模型的网格设置、初始条件的设置、边界条件的设置、时间步长的控制等文件，对上述试验过程进行数值模拟。其控制方程如下：

式中：ρ代表流场密度；α为控制气体与液体的体积分数；Uc与速度U具有相同维度；ρθU为阻尼项，θ为阻尼系数；t为时长。式（3）最后一项用于描述液体表面张力。

针对波浪在浅滩破碎变形计算，本文设置如下的计算参数，并在可能发生波浪破碎的区域增加网格数量，数值模拟工况同表1。

图3为数值模拟设置示意图，数学模型网格的布置细部是通过加密水面线附近的计算网格，可以有效的模拟波面变化的情况，且可以减少整体网格数量，提高计算效率。同时对珊瑚礁坡与礁坪交接处的加密网格，可以精细模拟波浪演变破碎的流场变化。数值模型的造波边界采用动网格推板造波方式进行模拟，在控制方程中加入动量阻尼项，对尾端波浪进行消波处理。

图3 数值模型设置示意图Fig.3 Sketch of numerical model setup

3 试验与数值模拟结果对比

图4显示了距离造波板12．35 m处的G5波高仪记录下的波浪历时曲线，数值模拟结果对比显示，曲线完整且二者变化趋势较为一致，表面数值模拟较为真实可靠，此处波浪发生第1次破碎，波峰尖锐且发生前移，波谷后置且变缓，波势能分布在其内部发生转移。图5显示了6台波高记录仪在同一时刻下的波浪沿程变化，与数值模拟结果对比一致。波浪在珊瑚礁台破碎区明显增高，破碎后由于发生剧烈摩擦导致波浪能量耗散。

图4 距离造波板12.35 m处波面历时曲线模拟与实验对比Fig.4 Comparisons between simulated and experimental results of wave surface duration curve at 12.35 m from the wave plate

图5 波浪沿程变化的试验与数值模拟结果对比图Fig.5 Comparison of experimental and numerical simulation results of the wave height variation across the flume

表2显示了PIV试验中高速CCD所拍摄下波浪变形过程照片，通过PIV流场分析和计算，得到波浪变形流场分布，通过与数值模拟结果对比较为一致。结果显示波浪运动到达窗口左侧，流速最大区域主要集中在波浪水舌处，方向向左且较为统一，水舌处正下方的水体向上涌动，其右侧水体速度方向向左，而左侧水体速度方向向右，之后由于水舌与水面发生接触，对水体造成一定的冲击，有大量气泡进入水体内部，因此该时刻水舌处速度矢量相对较为凌乱，有矢量交叉出现，水舌下方流速方向依然向上，水舌左侧水体速度向左。

表2 波浪破碎变形的试验图片、流场分布与数值模拟结果对比Table 2 Comparison of test pictures,flow field distribution and numerical simulation results of wave breaking deformation

4 结语

珊瑚礁群在东南亚近岸带分布十分广泛，其分布形式特点明显。随着海床的抬高，波浪将在珊瑚礁台上发生破碎变形等水动力过程，将影响到珊瑚礁生态环境和水工建筑物的受力情况等。本文通过自研发的同步延迟软件控制PIV、造波系统、波高采集仪等设备，保障各采集仪器在20次重复试验中均在同一个时间序列上进行采集。各采集仪同步采集了波浪通过珊瑚礁台时的破碎流场变化过程数据，结果显示波浪在破碎前波高被突然抬升，破碎后波浪能量发生耗散。所采集的流场分布清晰，破碎过程中水体内速度方向有部分反转，流速最大处在水舌处。整个过程数值模拟结果与实验较为一致，试验流程和同步采集方法可靠。