風浪與涌浪相互影響的實驗

陳漢寶，劉海源，徐亞男，白玉川

(1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

風浪與涌浪相互影響的實驗

陳漢寶1,2，劉海源2，徐亞男2，白玉川1

(1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

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

風浪；涌浪；相互影響

由于海洋災害造成的經(jīng)濟損失約占全球所有自然災害損失的10%．海浪包括風浪和涌浪．風浪是在風的直接作用下產(chǎn)生的水面波動，涌浪是指傳出風區(qū)的海浪．在掩護型的港灣和島嶼之間以及臺風的影響區(qū)域，海浪都通常表現(xiàn)為風浪與涌浪的疊加．涌浪與風浪的相互作用的研究始于對長短波的研究，20世紀40年代Unna在實驗室中觀測到，當短波遇上長波時，短波的波長在長波波峰處變短，在長波波谷處變長．涌浪與風浪的相互作用很復雜，實驗室實驗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[1-4]指出，與風同向的涌浪對風浪成長起抑制作用，并且隨著涌浪波陡的增加，抑制作用增強. Masson[5]的數(shù)值計算表明，能量傳輸隨純風浪譜峰頻率與涌浪頻率比值的增加而迅速下降，當該比值大于1.6時，這一能量傳輸可以忽略．Donelan[4]的實驗觀測還顯示，涌浪對風浪的風輸入沒有影響，然而涌浪與風之間的耦合會引起風浪風輸入的減?。畬嶒炇覘l件下的結(jié)論大多認為涌浪會抑制風浪的成長，然而海上研究的結(jié)果跟實驗室結(jié)論相差較大．

研究[6-8]表明，風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，風能的轉(zhuǎn)化率越大．也有研究[9-11]指出，風能的轉(zhuǎn)化還與風速和波浪傳播速度有關(guān)，有效的轉(zhuǎn)化發(fā)生在風速大于波浪傳播速度的情況．波浪對風的垂向分布結(jié)構(gòu)也存在影響[12]．

風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)驗性的公式表達了波浪周期的變化．多個實測的數(shù)據(jù)表明在風浪與涌浪疊加時出現(xiàn)了雙峰的波譜[13-15]．

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

1 風與涌浪的模擬

實驗在交通運輸部工程泥沙重點試驗室的風浪水槽中進行，水槽長65,m、寬1,m、高1.8,m，采用吸式造風，最大造風能力14,m/s．實驗中采用熱線風速儀測量水面以上不同高度處的風速．實驗模擬脈動風，風譜采用我國《公路橋梁抗風設(shè)計指南》推薦用譜，在實驗水槽內(nèi)考慮順風向，風譜表達式為

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

采用吸收式造波機造波，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 模擬涌浪實測波譜示意Fig.1 Measurement wave spectrum of swell

2 風成浪的特征分析

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

圖2 風速為5,m/s時風成浪分析結(jié)果Fig.2 Storm wave spectrum when wind speed is 5,m/s

圖3 風速為7,m/s時風成浪分析結(jié)果Fig.3 Storm wave spectrum when wind speed is 7,m/s

3 先風浪后涌浪的規(guī)律分析

風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區(qū)域，表現(xiàn)為風浪形成后涌浪經(jīng)過繞射加入．實驗中模擬風時240,s后再加入涌浪，從實驗結(jié)果分析此時風浪在短水槽中已經(jīng)充分成長，測得的風浪譜密度曲線變化非常?。畬嶒灢捎?種涌浪波高及對應周期、2種平均風速進行研究．圖4～圖7給出了單獨涌浪、單獨風浪和風浪涌浪混合3種情況的波譜對比．

先風浪(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浪略移，涌浪低頻部分能量抑制，而譜峰能量增加，風浪譜峰頻率部分能量完全轉(zhuǎn)移．

圖4 先風浪(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，譜峰頻率向風浪略移，保留了部分涌浪譜峰特征，風浪譜峰特征也有保留，風浪對應頻率向涌浪譜峰頻率移動．

圖5 先風浪(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，風浪譜峰頻率部分能量完全轉(zhuǎn)移．

圖6 先風浪(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浪能量的輸入來分析兩者的相互影響[18-19]．先風浪后涌浪能量轉(zhuǎn)化分析見表1．表中涌風能量比表示涌浪的能量與單獨風成浪能量的比值，其波浪的能量可以用其對應譜密度曲線的零階矩進行計算；風浪轉(zhuǎn)化率是指混合浪的能量與涌浪能量的差值與風浪能量的比值.

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

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

4 先涌浪后風浪的規(guī)律分析

對應于在開闊海域涌浪背景下的風場的作用，這里采用先形成涌浪再加風進行模擬，模擬結(jié)果見圖8～圖11．同樣，對于先涌浪后風浪的組次，發(fā)現(xiàn)有的情況下結(jié)果有所差別．對應于4個組次，風能轉(zhuǎn)化率分別為-3%、62%、17%、5%．可見在涌浪背景下，風能的輸入受到了抑制．從實驗現(xiàn)象進行分析，先風浪后涌浪的情況，水表面小波紋很多，比較粗糙；先涌浪后風浪的情況，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驗條件過于理想，雖然這個實驗結(jié)果與他人的模擬結(jié)果相接近，筆者認為并不符合現(xiàn)場的實際情況，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) 實驗中風浪涌浪同時存在的條件下，風能的輸入與涌浪的波陡、風速、波速、風浪和涌浪的頻率的直接關(guān)系不明顯．

(2) 涌浪在對應水深和風速條件下，是否達到風速對應無限風距下的最大波高可能是風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，風能的輸入超過了單獨風浪的能量．

(4) 實驗室先形成涌浪再加風時，風能的輸入受到了抑制，此時水面光滑，與現(xiàn)場條件不符．

［1］ Mitsuyasu H，Maeda Y. On the contribution of swell to sea surface phenomena(2)[C]// Proceedings of the 12th International Offshore and Polar Engineering Conference. Kitakyushu，Japan，2002:26-31.

［2］ Phillips O M，Banner M L. Wave breaking in the presence of wind drift and swell[J]. Journal of Fluid Me-chanics，1974，66:625-640.

［3］ Phillips O M. On the generation of waves by turbulent wind[J]. Journal of Fluid Mechanics，1957，2(5): 417-445.

［4］ Donelan M A. The effect of swell on the growth of wind waves[J]. Johns Hopkins APL Tech Dig，1987，8(1): 18-23.

［5］ Masson D. On the nonlinear coupling between swell and wind waves[J]. J Phys Oceanogr，1993，23(6): 1249-1258.

［6］ Janssen P A E M. Wave induced stress and the drag of air flow over sea waves[J]. J Phys Oceanogr，1989，19: 745-754.

［7］ Chen G，Belcher S E. Effects of long waves on windgenerated waves[J]. J Phys Oceanogr，2000，30(9): 2246-2256.

［8］ Hanson J L，Phillips O M. Wind sea growth and dissipation in the open ocean[J]. J Phys Oceanogr，1999，29(8):1633-1648.

［9］ Kahma K K，Calkoen C J. Reconciling discrepancies in the observed growth of wind generated waves[J]. J Phys Oceanogr，1992，22(12):1389-1405.

［10］ Wright J W. The wind drift and wave breaking[J]. J Phys Oceanogr，1976，6(3):402-405.

［11］ Longuet-Higgins M S，Steward R W. Changes in the form of short gravity waves on long waves and tidal currents[J]. Journal of Fluid Mechanics，1960，8:563-583.

［12］ Jeffreys H. On the formation of water waves by wind[J]. Proceedings of the Royal Society A，1924，107:189-206.

［13］ 趙棟梁，臧小紅. 海浪雙峰方向分布的一種物理解釋[J]. 海洋與湖沼，2000，31(1):60-65.

Zhao Dongliang，Zang Xiaohong. Physical explanation of bimodal directional distribution of ocean waves[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica，2000，31(1):60-65(in Chinese).

［14］ 管長龍，劉 珂，趙棟梁. 風浪槽內(nèi)風浪外頻譜譜形的一些特征[J]. 青島海洋大學學報，2000，30(1): 1-6.

Guan Changlong，Liu Ke，Zhao Dongliang. Characteristic of outer frequency spectra of wind waves measured in wind wave flume[J]. Journal of Ocean University of Qingdao，2000，30(1):1-6(in Chinese).

［15］ 文 凡，高志一. 穩(wěn)定風浪場譜特征量間的關(guān)系[J].海洋與湖沼，2007，38(5):394-404.

Wen Fan，Gao Zhiyi. Relations among characteristic variables of steady wind waves[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica，2007，38(5):394-404(in Chinese).

［16］ 陳漢寶，劉海源，曹玉芬. 單方向不規(guī)則波模擬與統(tǒng)計中的幾個問題[J]. 水道港口，2003(4):167-173.

Chen Hanbao，Liu Haiyuan，Cao Yufen. Problems of simulation and statistics of undirectional irregular wave[J]. Journal of Waterway and Harbour，2003(4):167-173(in Chinese).

［17］ 黃必桂，鄭桂珍，叢培秀. 涌浪對風浪能量影響的實驗研究[J]. 中國海洋大學學報，2009，39(3):381-386.

Huang Bigui，Zheng Guizhen，Cong Peixiu. Laboratory research on the influence of swell on wind wave energy[J]. Periodical of Ocean University of China，2009，39(3):381-386(in Chinese).

［18］ 陳子燊. 波高與風速聯(lián)合概率分布研究[J]. 海洋通報，2011，30(2):158-163.

Chen Zishen. Study on joint probability distribution of wave height and wind velocity[J]. Marine Science Bulletin，2011，30(2):158-163(in Chinese).

［19］ 陳漢寶，鄭寶友. 中國海岸波浪特征與建港條件研究[J]. 港工技術(shù)，2005(3):1-4.

Chen Hanbao，Zheng Baoyou. Studies on coastal wave characteristics of China & port construction condition[J]. Port Engineering Technology，2005(3):1-4(in Chinese).

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.

交通運輸科技資助項目(2011318494150，2011318223170).

陳漢寶（1971— ），男，研究員，chenhanbao@163.com．

白玉川，ychbai@tju.edu.cn.