波浪破碎標準研究進展

赫巖莉，毛鴻飛，林金波，吳光林

（廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，湛江 524088）

1 前言

波浪破碎是海洋中常見的物理現(xiàn)象，常以白泡形式出現(xiàn)在海面上。破浪破碎是波浪達到一定極限狀態(tài)后，不能維持其穩(wěn)定性而發(fā)生波面坍塌的現(xiàn)象，因其具有間歇性、瞬時性、隨機性等特點，發(fā)展過程極其復(fù)雜，目前波浪破碎物理過程研究仍處在發(fā)展階段，還不能明確波浪破碎的具體過程和本質(zhì)原因。

波浪破碎不僅對海氣交換、波能轉(zhuǎn)化及海洋紅外遙感等具有重要影響，而且對海洋工程、人民生計和生命安全具有關(guān)鍵作用。當(dāng)波浪發(fā)生破碎時，往往會對海洋、近海工程結(jié)構(gòu)物強度造成不同程度削弱，當(dāng)波浪較大或作用頻繁時，還可能摧毀結(jié)構(gòu)物，引發(fā)巨大災(zāi)難，甚至造成人類生命喪失。因此研究破碎波非線性特征、了解波浪破碎過程、探究波浪破碎標準，將對確定波浪荷載、合理設(shè)計海洋結(jié)構(gòu)具有重大意義。

2 波浪破碎標準研究現(xiàn)狀

常見的波浪破碎有兩種型態(tài)，即崩破和卷破，如圖 1 所示：在深水情況下，常見的破碎型態(tài)為崩破；在淺水緩坡情況下，常見破碎型態(tài)為崩破，如果坡度較陡則可發(fā)生卷破。無論何種破碎類型，在即將發(fā)生破碎時，都會出現(xiàn)一個極限狀態(tài)，經(jīng)過該狀態(tài)后破碎發(fā)生。目前國內(nèi)外研究學(xué)者，基于幾何特征、動力學(xué)特征、運動學(xué)特征，對波浪破碎標準進行了大量分析，并獲得了不少研究成果。

圖 1 破碎型態(tài)示意圖

2.1 基于幾何特征

從幾何特征出發(fā)：Stokes指出，行進波波峰頂角為120°是其最大值，并給出0.442 為波浪破碎的極限波陡；Longuet-Higgins通過對均勻波列進行分析指出，當(dāng)波陡ka = 0.43 時，波浪能量密度最大，分析結(jié)果與Stokes幾乎一致，其中k 為波陡，a 為波浪幅值；Babanin 等通過對實驗、數(shù)值模型和野外實測數(shù)據(jù)進行分析指出，波陡參數(shù)可獨自作為破碎判斷指標，其結(jié)果支持Stokes的結(jié)論。然而也有研究指出，波陡單獨不適合作為波浪破碎指標；Rapp 和Melville通過實驗研究指出，當(dāng)波陡為0.25 時波浪發(fā)生破碎，這說明波陡在沒有達到0.442 極限波陡之前波浪就已經(jīng)發(fā)生破碎，因此Rapp 和Melville指出，除線性聚焦作用以外，非線性作用使得波浪提前發(fā)生破碎；Tulin 和Waseda通過實驗研究指出，調(diào)制不穩(wěn)定機制引起的波浪破碎波陡波動范圍介于0.22 ～ 0.41 之間；于洋等采用實驗方法，給出與波浪不對稱參數(shù)相關(guān)的破碎指標，并指出該指標與相對水深相關(guān)，當(dāng)水深變淺時指標增加；馮衛(wèi)兵等采用高分辨率實驗技術(shù)方法，給出判斷淺水不對稱波浪的破碎指標。

綜上可知，通過不同學(xué)者對波浪幾何特征參數(shù)分析；選取波陡作為破碎判斷指標還存在很多疑問，還沒有統(tǒng)一性的結(jié)論，依然有待于進一步的研究。

2.2 基于動力學(xué)特征

基于動力學(xué)特征，很多學(xué)者對波浪破碎指標進行了相關(guān)研究：Schultz 等針對規(guī)則波進行分析指出，比起波峰與波峰間所確定的波高，勢能均方根波高更加適合用于判斷波浪破碎情況；還發(fā)現(xiàn)勢能破碎標準是能量輸入率的函數(shù)，隨著能量輸入率由小到大，波浪可由崩破過渡到卷破；同時給出當(dāng)波浪勢能約為總能量的52%時波浪破碎發(fā)生；Song 和Banner采用數(shù)值計算，對不同類型波群破碎情況進行研究，結(jié)果顯示局部最大能量密度的無因次化增長率可作為破碎判斷的指標；Tian 等對Song 和Banner破碎標準進行驗證，結(jié)果指出破碎標準對局部波數(shù)較敏感；Oh 等實驗分析結(jié)果表明，動力學(xué)破碎標準針對強風(fēng)作用下波浪破碎判斷具有很好的效果；劉殿勇采用實驗方法較全面的對三維波浪破碎進行了研究，指出波浪聚焦頻率失調(diào)是引起波浪破碎能量損耗的主要原因。

綜上所述，由基于動力學(xué)特征進行波浪破碎指標分析可知，破碎指標的結(jié)果隨著分析方法和波浪類型不同而變化，目前也尚未有統(tǒng)一的結(jié)論，仍需要進行深入研究。

2.3 基于運動學(xué)特征

很多學(xué)者從運動學(xué)特征也對波浪破碎進行了大量研究：Qiao 和Duncan對崩破進行了實驗研究，分析結(jié)果表明當(dāng)波浪發(fā)生破碎時，波峰水質(zhì)點速度與波浪相速度之比約1.0 ～ 1.3。但隨著研究人員的深入分析，越來越多的研究結(jié)果表明當(dāng)水質(zhì)點水平速度小于波浪相速度時，波浪也可發(fā)生破碎；Stansell 和Macfarlane通過實驗并結(jié)合三種相速度定義，對破碎標準進行分析，研究結(jié)果表明基于三種相速度的運動學(xué)標準有很大差別，但均大于質(zhì)點水平速度；Oh 等針對深水破碎波進行了實驗分析，結(jié)果表明基于幾何特征和運動學(xué)特征破碎標準不能很好地對波浪破碎進行預(yù)測。由此可見，以水質(zhì)點水平速度和相速度之比等于1 作為判斷破碎標準仍存在不足。

截至目前為止，基于幾何、動力學(xué)和運動學(xué)特征的破碎標準研究依然存在很多不確定性，無法對破碎指標給出統(tǒng)一的結(jié)果，因此還需要加深理解波浪演化破碎的本質(zhì)過程，才能基于物理過程進行波浪破碎分析。

3 波浪破碎標準研究目前存在的困難

由以上內(nèi)容可知，針對波浪破碎目前還沒有統(tǒng)一的破碎判斷標準。由于波浪破碎過程復(fù)雜，研究分析存在很多困難，主要有以下幾個方面：

3.1 破碎階段難以劃分

基于波浪破碎過程復(fù)雜，很難確定什么時間、什么位置發(fā)生了破碎；同時從波浪出現(xiàn)白沫開始，也較難區(qū)分選作為分析破碎指標的主要階段是演化過程中的哪部分。目前研究大多沒有對波浪破碎過程進行詳細區(qū)分，而是將破碎看成為整體進行分析。然而破碎過程各階段的波浪非線性特征和能量損耗等是變化的，對破碎指標影響也是不同的，因此詳細進行破碎過程區(qū)分是目前研究的緊要但又難以解決的問題。

3.2 極限狀態(tài)不易捕捉

大量研究和實際觀測表明，波浪破碎具有短暫性、隨機性、間歇性、不確定性等特性，無論是實驗測量還是野外實測，針對波浪破碎的捕捉都存在很大難度。隨著科技進步，高速攝像機的出現(xiàn)對破碎測量準確性起到了很大推動作用，增加了波浪破碎捕捉精確性，但基于破碎過程復(fù)雜性加之儀器分辨率限制，仍然不能徹底解決破碎捕捉問題。除此之外，精確度高的設(shè)備儀器價格比較昂貴，目前仍不能得到廣泛應(yīng)用。

3.3 測量技術(shù)需要加強

破碎捕捉中比較重要的環(huán)節(jié)之一就是測量技術(shù)。無論是在實驗室還是在野外進行測量時，因破浪破碎的不確定性，都存在破碎發(fā)生處沒有安置測量儀器的問題，或者因近距離安裝測量儀器會產(chǎn)生對水體的干擾，使得測量所得到的結(jié)果不能準確反應(yīng)破碎的基本過程，而從中夾雜測量儀器的干擾信息，這也是目前破碎研究中存在的主要問題之一。

3.4 計算效率有待提高

隨著計算機的飛速發(fā)展，數(shù)值計算在波浪理論基礎(chǔ)研究中具有重要影響，對基本物理過程的深入分析起到了很大的推動作用。針對波浪破碎的數(shù)值研究，在模型和算法合理的情況下，由于破碎過程復(fù)雜性，一般需要大量網(wǎng)格對破碎情況進行逼近，從而導(dǎo)致計算量非常大，同時對計算機的要求也比較高，尤其在進行三維計算時，更是需要高效能的工作站等大型計算設(shè)備，因此目前針對波浪破碎的數(shù)值計算研究中，計算效率依然是難題之一，這也是流體力學(xué)和物理海洋研究中需要不斷改進和優(yōu)化的任務(wù)之一。

4 波浪破碎標準研究展望

波浪破碎不僅對實際工程具有關(guān)鍵作用，對氣候也有著重要影響，目前仍有許多問題有待于深入研究：

（1）首先，針對波浪破碎的理論還不完善。需要對破碎波的基礎(chǔ)理論進行拓展，尤其是波浪破碎后產(chǎn)生的紊流問題，需要進一步結(jié)合氣液耦合分析開展細致研究；

（2）其次，目前實測數(shù)據(jù)相對較少。而實測數(shù)據(jù)是真正能夠反映實際海浪問題的來源，只有不斷從實際情況中提取和分析數(shù)據(jù)，才能逐步認識波浪物理過程的本質(zhì)。基于此，在未來研究中在合適條件下進行野外實測分析將有利于拓展波浪破碎基本理論，減小比尺效應(yīng)對真實現(xiàn)象的影響，準確反應(yīng)真實破碎現(xiàn)象的規(guī)律和機制；

（3）第三，針對不同類型破碎發(fā)展過程進行分段分析。目前針對破碎波的分析，主要集中在整體破碎分析，但實際破碎過程是隨著時間和演化機理變化的，繼而使得波浪形狀、能量分布、特征參數(shù)、周圍水體等均有所不同。對破碎過程進行合理劃分，是細化破碎研究的前提，進而分析不同階段的破碎特征，因此基于不同破碎類型，細化破碎過程將是海洋工程領(lǐng)域未來研究內(nèi)容之一；

（4）最后，目前大量破碎波研究主要集中在分析單獨破碎特征內(nèi)容上。但實際海況中發(fā)生的往往是波浪連續(xù)破碎，使得能量大幅度下降?；趩蝹€破碎可有效探明破碎發(fā)生過程中波浪成分的作用過程，為后續(xù)連續(xù)破碎研究做基礎(chǔ)，但若要闡明真實海浪破碎過程，還要進一步分析前期破碎對隨后破碎的影響，從而探索能量損耗和重新分布基本過程，準確有效確定波浪荷載，最終為海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供實際參考。

5 結(jié)論

本文對破浪破碎指標研究現(xiàn)狀進行了簡單介紹，對目前研究進展進行了主體概括，同時也給出了破碎波研究中所面臨的困難和技術(shù)瓶頸。在此基礎(chǔ)上，針對波浪破碎標準研究，給出了需要深入分析的主體方向和需要完善的基礎(chǔ)研究理論。希望通過本文能使有關(guān)人員加深對波浪破碎標準現(xiàn)狀的了解，并針對目前的技術(shù)瓶頸和理論障礙進行攻破。