陳漢寶，劉海源，徐亞男，白玉川

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

風(fēng)浪與涌浪相互影響的實(shí)驗(yàn)

陳漢寶1,2，劉海源2，徐亞男2，白玉川1

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

大自然的海浪往往是風(fēng)浪與涌浪混合在一起，為此研究了實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)浪水槽中模擬風(fēng)浪與涌浪的相互影響，用脈動風(fēng)模擬風(fēng)浪及風(fēng)與浪的耦合作用，用造波機(jī)產(chǎn)生不規(guī)則波模擬周期相對較長的涌浪．通過單獨(dú)風(fēng)浪、單獨(dú)涌浪、先風(fēng)浪后涌浪和先涌浪后風(fēng)浪4種情況的模擬，從波譜的角度分析風(fēng)浪與涌浪相互影響的規(guī)律．發(fā)現(xiàn)影響風(fēng)能輸入的主要因素是波浪是否充分發(fā)展，而與波陡、風(fēng)速、波速等沒有直接關(guān)系，為風(fēng)浪對海上建筑物的耦合作用研究提供了依據(jù)．

風(fēng)浪；涌浪；相互影響

由于海洋災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失約占全球所有自然災(zāi)害損失的10%．海浪包括風(fēng)浪和涌浪．風(fēng)浪是在風(fēng)的直接作用下產(chǎn)生的水面波動，涌浪是指傳出風(fēng)區(qū)的海浪．在掩護(hù)型的港灣和島嶼之間以及臺風(fēng)的影響區(qū)域，海浪都通常表現(xiàn)為風(fēng)浪與涌浪的疊加．涌浪與風(fēng)浪的相互作用的研究始于對長短波的研究，20世紀(jì)40年代Unna在實(shí)驗(yàn)室中觀測到，當(dāng)短波遇上長波時(shí)，短波的波長在長波波峰處變短，在長波波谷處變長．涌浪與風(fēng)浪的相互作用很復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和海上觀測給出了不盡相同的結(jié)論，并且對于這些觀測結(jié)果也已提出多種可能的解釋．

文獻(xiàn)[1-4]指出，與風(fēng)同向的涌浪對風(fēng)浪成長起抑制作用，并且隨著涌浪波陡的增加，抑制作用增強(qiáng). Masson[5]的數(shù)值計(jì)算表明，能量傳輸隨純風(fēng)浪譜峰頻率與涌浪頻率比值的增加而迅速下降，當(dāng)該比值大于1.6時(shí)，這一能量傳輸可以忽略．Donelan[4]的實(shí)驗(yàn)觀測還顯示，涌浪對風(fēng)浪的風(fēng)輸入沒有影響，然而涌浪與風(fēng)之間的耦合會引起風(fēng)浪風(fēng)輸入的減?。畬?shí)驗(yàn)室條件下的結(jié)論大多認(rèn)為涌浪會抑制風(fēng)浪的成長，然而海上研究的結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)室結(jié)論相差較大．

研究[6-8]表明，風(fēng)能向波浪的傳遞與波陡、波浪的表面光滑程度有關(guān)．波陡越大、表面越粗糙，風(fēng)能的轉(zhuǎn)化率越大．也有研究[9-11]指出，風(fēng)能的轉(zhuǎn)化還與風(fēng)速和波浪傳播速度有關(guān)，有效的轉(zhuǎn)化發(fā)生在風(fēng)速大于波浪傳播速度的情況．波浪對風(fēng)的垂向分布結(jié)構(gòu)也存在影響[12]．

風(fēng)對波浪的影響不僅表現(xiàn)在波能、波高上，還表現(xiàn)為波浪周期以及波譜的變化．一些經(jīng)驗(yàn)性的公式表達(dá)了波浪周期的變化．多個(gè)實(shí)測的數(shù)據(jù)表明在風(fēng)浪與涌浪疊加時(shí)出現(xiàn)了雙峰的波譜[13-15]．

由于現(xiàn)場實(shí)測的因素復(fù)雜，而實(shí)驗(yàn)?zāi)M又存在難度，風(fēng)浪與涌浪相互作用的研究尚不充分．本文通過風(fēng)浪水槽實(shí)驗(yàn)研究分析風(fēng)浪涌浪同向時(shí)的波浪特征.為全面反映脈動風(fēng)成浪和不規(guī)則涌浪過程間的相互影響，采用波浪的能量譜來反映風(fēng)浪和涌浪間能量轉(zhuǎn)化的大小與頻率的關(guān)系[16-17]．

1 風(fēng)與涌浪的模擬

實(shí)驗(yàn)在交通運(yùn)輸部工程泥沙重點(diǎn)試驗(yàn)室的風(fēng)浪水槽中進(jìn)行，水槽長65,m、寬1,m、高1.8,m，采用吸式造風(fēng)，最大造風(fēng)能力14,m/s．實(shí)驗(yàn)中采用熱線風(fēng)速儀測量水面以上不同高度處的風(fēng)速．實(shí)驗(yàn)?zāi)M脈動風(fēng)，風(fēng)譜采用我國《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南》推薦用譜，在實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)考慮順風(fēng)向，風(fēng)譜表達(dá)式為

式中:Su(n)為順風(fēng)向脈動風(fēng)過程的自譜密度函數(shù)；n為頻率，Hz；v*為風(fēng)的剪切速度；x=nz/vz，vz為高度z處的平均風(fēng)速，m/s．實(shí)驗(yàn)中采用諧波合成法來得到脈動風(fēng)的過程，并以此控制造風(fēng)系統(tǒng)．

采用吸收式造波機(jī)造波，波譜采用譜峰因子為3.3的JONSWAP，模型水深0.65,m．模擬有效波高/有效周期分別為:Hs=10,cm/Ts=1.15,s、Hs= 15,cm/Ts=1.5,s、Hs=20,cm/Ts=2,s 3組波浪，實(shí)測波浪分析波譜見圖1，其中橫軸f為頻率，縱軸S為譜密度．

圖1 模擬涌浪實(shí)測波譜示意Fig.1 Measurement wave spectrum of swell

2 風(fēng)成浪的特征分析

取風(fēng)距為40.51,m的測點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)成浪分析，涌浪測點(diǎn)及混合浪的分析用測點(diǎn)與風(fēng)成浪測點(diǎn)相同．不同風(fēng)時(shí)的風(fēng)成浪分析結(jié)果見圖2和圖3．隨著風(fēng)時(shí)的增加，風(fēng)成浪的頻率逐步減小，波能逐步增加．平均風(fēng)速為5,m/s時(shí)，譜峰頻率接近1.7,Hz；平均風(fēng)速為7,m/s時(shí)，譜峰頻率接近1.4,Hz．從圖中還可看出，隨著風(fēng)時(shí)的增加，波浪能量的頻率分布更為集中．

圖2 風(fēng)速為5,m/s時(shí)風(fēng)成浪分析結(jié)果Fig.2 Storm wave spectrum when wind speed is 5,m/s

圖3 風(fēng)速為7,m/s時(shí)風(fēng)成浪分析結(jié)果Fig.3 Storm wave spectrum when wind speed is 7,m/s

3 先風(fēng)浪后涌浪的規(guī)律分析

風(fēng)浪與涌浪的混合在現(xiàn)場中存在著多種情況，例如港池或島嶼后的掩護(hù)區(qū)域，表現(xiàn)為風(fēng)浪形成后涌浪經(jīng)過繞射加入．實(shí)驗(yàn)中模擬風(fēng)時(shí)240,s后再加入涌浪，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析此時(shí)風(fēng)浪在短水槽中已經(jīng)充分成長，測得的風(fēng)浪譜密度曲線變化非常?。畬?shí)驗(yàn)采用3種涌浪波高及對應(yīng)周期、2種平均風(fēng)速進(jìn)行研究．圖4～圖7給出了單獨(dú)涌浪、單獨(dú)風(fēng)浪和風(fēng)浪涌浪混合3種情況的波譜對比．

先風(fēng)浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)的模擬結(jié)果(見圖4)顯示，混合后的波浪能量增加，譜峰頻率由涌浪向風(fēng)浪略移，涌浪低頻部分能量抑制，而譜峰能量增加，風(fēng)浪譜峰頻率部分能量完全轉(zhuǎn)移．

圖4 先風(fēng)浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)的模擬結(jié)果Fig.4 Mixed wave spectrum of wind(v=5,m/s)and following wave(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)

先風(fēng)浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)的模擬結(jié)果(見圖5)顯示，混合后的波浪能量明顯增加，譜峰寬平，譜峰頻率向風(fēng)浪略移，保留了部分涌浪譜峰特征，風(fēng)浪譜峰特征也有保留，風(fēng)浪對應(yīng)頻率向涌浪譜峰頻率移動．

圖5 先風(fēng)浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)的模擬結(jié)果Fig.5 Mixed wave spectrum of wind(v=7,m/s)and following wave(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)

先風(fēng)浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)的模擬結(jié)果(見圖6)顯示，混合后的波浪能量有所增加，譜峰能量增加，峰頻沒有變化，風(fēng)浪譜峰頻率部分能量完全轉(zhuǎn)移．

圖6 先風(fēng)浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)的模擬結(jié)果Fig.6Mixed wave spectrum of wind(v=5,m/s)and following wave(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)

先風(fēng)浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=20,cm/Ts=2,s)的模擬結(jié)果(見圖7)顯示，風(fēng)浪的能量轉(zhuǎn)化受到抑制，混合后的波浪基本呈現(xiàn)涌浪的特征與大?。?/p>

圖7 先風(fēng)浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=20,cm/Ts=2,s)的模擬結(jié)果Fig.7Mixed wave spectrum of wind(v=7,m/s)and following wave(Hs=20,cm/Ts=2,s)

所模擬的組次中，涌浪的能量占據(jù)主要的成分，因此以混合浪的能量減去涌浪的能量作為風(fēng)浪能量的輸入來分析兩者的相互影響[18-19]．先風(fēng)浪后涌浪能量轉(zhuǎn)化分析見表1．表中涌風(fēng)能量比表示涌浪的能量與單獨(dú)風(fēng)成浪能量的比值，其波浪的能量可以用其對應(yīng)譜密度曲線的零階矩進(jìn)行計(jì)算；風(fēng)浪轉(zhuǎn)化率是指混合浪的能量與涌浪能量的差值與風(fēng)浪能量的比值.

表1 先風(fēng)浪后涌浪能量轉(zhuǎn)化分析Tab.1 Wind wave energy transfer of wind and following swell

實(shí)驗(yàn)中還模擬了一些交叉組次并進(jìn)行了多次重復(fù)，所顯示的規(guī)律與本文列出的4個(gè)組次是相同的.其中組次4在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了大波破碎的情況. 分析表1中的數(shù)據(jù)，涌浪在對應(yīng)水深和風(fēng)速下，是否達(dá)到風(fēng)速對應(yīng)無限風(fēng)距下的最大波高可能是風(fēng)能輸入是否受到抑制的判定依據(jù)．如果涌浪波高沒有達(dá)到風(fēng)速對應(yīng)無限風(fēng)距下的最大波高，風(fēng)能就會持續(xù)輸入，其數(shù)值接近于風(fēng)成浪的能量．本次實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，風(fēng)速對應(yīng)無限風(fēng)距下的最大波高無法得出，但從組次2和4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)速一樣時(shí)，涌浪波高增大風(fēng)能的輸入相對而言就會受到抑制．同時(shí)，在某些情況下，由于涌浪的存在使得水面粗糙度增加，風(fēng)能的輸入超過了單獨(dú)風(fēng)浪的能量．

4 先涌浪后風(fēng)浪的規(guī)律分析

對應(yīng)于在開闊海域涌浪背景下的風(fēng)場的作用，這里采用先形成涌浪再加風(fēng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖8～圖11．同樣，對于先涌浪后風(fēng)浪的組次，發(fā)現(xiàn)有的情況下結(jié)果有所差別．對應(yīng)于4個(gè)組次，風(fēng)能轉(zhuǎn)化率分別為-3%、62%、17%、5%．可見在涌浪背景下，風(fēng)能的輸入受到了抑制．從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，先風(fēng)浪后涌浪的情況，水表面小波紋很多，比較粗糙；先涌浪后風(fēng)浪的情況，水表面小波紋很少，比較光滑．產(chǎn)生這種情況的原因可能是模型中的實(shí)驗(yàn)條件過于理想，雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與他人的模擬結(jié)果相接近，筆者認(rèn)為并不符合現(xiàn)場的實(shí)際情況，現(xiàn)場在不良的海況下，水面難以出現(xiàn)光滑的情況．

圖8 先涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)后風(fēng)浪(v=5,m/s)的模擬結(jié)果Fig.8 Mixed wave spectrum of wave(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)and following wind(v=5,m/s)

圖9 先涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)后風(fēng)浪(v=7,m/s)的模擬結(jié)果Fig.9 Mixed wave spectrum of wave(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)and following wind(v=7,m/s)

圖10 先涌浪(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)后風(fēng)浪(v=5,m/s)的模擬結(jié)果Fig.10Mixed wave spectrum of wave(Hs=15,cm/Ts= 1.5,s)and following wind(v=5,m/s)

圖11 先涌浪(Hs=20,cm/Ts=2,s)后風(fēng)浪(v=7,m/s)的模擬結(jié)果Fig.11Mixed wave spectrum of wave(Hs=20,cm/Ts= 2,s)and following wind(v=7,m/s)

5 結(jié) 論

(1) 實(shí)驗(yàn)中風(fēng)浪涌浪同時(shí)存在的條件下，風(fēng)能的輸入與涌浪的波陡、風(fēng)速、波速、風(fēng)浪和涌浪的頻率的直接關(guān)系不明顯．

(2) 涌浪在對應(yīng)水深和風(fēng)速條件下，是否達(dá)到風(fēng)速對應(yīng)無限風(fēng)距下的最大波高可能是風(fēng)能輸入是否受到抑制的判定依據(jù)．

(3) 在某些情況下，由于涌浪的存在使得水面粗糙度增加，風(fēng)能的輸入超過了單獨(dú)風(fēng)浪的能量．

(4) 實(shí)驗(yàn)室先形成涌浪再加風(fēng)時(shí)，風(fēng)能的輸入受到了抑制，此時(shí)水面光滑，與現(xiàn)場條件不符．

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Experiment on Interaction Between Wind Wave and Swell

Chen Hanbao1,2，Liu Haiyuan2，Xu Yanan2，Bai Yuchuan1
(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China)

Naturally，sea wave is mostly a mixture of wind wave and swell. The study on the interaction between wind wave and swell was conducted in the wind wave flume. Fluctuating wind was used to simulate wind wave and its interaction with swell. Wave maker was used to simulate long period wave. Wind wave，swell，first wind wave back with swell，and first swell back with wind wave were studied separately. The interaction rules were obtained by the analysis of wave period and wave spectrum. It was found out that wind energy transfer has little relationship with wave steepness，wind speed or wave velocity，which provides a foundation for the interaction study of wind waves and marine structures.

wind wave；swell；interaction

P731.22

A

0493-2137(2013)12-1122-05

DOI 10.11784/tdxb20131211

2012-12-03；

2013-01-18.

交通運(yùn)輸科技資助項(xiàng)目(2011318494150，2011318223170).

陳漢寶（1971— ），男，研究員，chenhanbao@163.com．

白玉川，ychbai@tju.edu.cn.