[論文レビュー] SPH Modeling of Short-crested Waves

Zhangping Wei, Robert A. Dalrymple|arXiv (Cornell University)|May 23, 2017

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 7被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、平面波の斜面上での短周期波の破壊を模擬するために、メッシュレスな滑らかさ粒子流体力学（SPH）モデルGPUSPHを用い、二つの交差する波列を重ね合わせた。主な発見として、勾配が急いだ斜面では強力なリップ・コルゼンとより大きな渦環が生成され、波の高さが大きく、リップ・コルゼンの間隔が広いと、孤立波、波の diffraction、複数の二次的渦環を伴うより複雑な波場が生じる。

ABSTRACT

This study investigates short-crested wave breaking over a planar beach by using the mesh-free Smoothed Particle Hydrodynamics model, GPUSPH. The short-crested waves are created by generating intersecting wave trains in a numerical wave basin. We examine the influence of beach slope, incident wave height, and incident wave angle on the generated short-crested waves. Short-crested wave breaking over a steeper beach generates stronger rip currents, and larger circulation cells in front of the beach. Intersecting wave trains with a larger incident wave height drive a more complicated short-crested wave field including isolated breakers and wave amplitude diffraction. Nearshore circulation induced by short-crested wave breaking is greatly influenced by the incident wave angle (or the rip current spacing). There is no secondary circulation cell between the nodal line and the antinodal line if the rip current spacing is narrow. However, there are multiple secondary circulation cells observed when the rip current spacing is relatively large.

研究の動機と目的

• 短周期波の破壊における斜面の勾配、入射波の高さ、入射角の影響を調査すること。
• SPHシミュレーションを用いて、短周期波の破壊によって生じる沿岸域の循環パターンと垂直方向の渦度場を検討すること。
• 波の重ね合わせとリップ・コルゼンの間隔が、複雑な沿岸域流体力学を形作る役割を理解すること。
• 洗練された数値設定を用いて、短周期波系における3次元渦と渦環の先行研究の結果を検証および拡張すること。

提案手法

• 短周期波は、同じ周期を持つが逆方向の入射角を持つ二つの波列を重ね合わせることで、同期波列法により生成される。
• 海上境界での自由水面プロファイルは、式 (1) で定義され、波数、角周波数、およびノード線・アンチノード線間の沿岸方向の間隔λを含む。
• 「ヘビ」型の波動発生装置は、複数のフラップ型波動発生装置から構成され、式 (5) に従って時間的に変化する回転角を適用して、所定の波場を生成する。
• 数値的シミュレーションは、オープンソースのGPUSPHコードを用いて実施され、20 m 幅の水槽、0.5 m の海上深さ、傾斜角を調整可能な平面波の斜面を用いる。
• SPHモデルは、カーネル近似導関数を用いて非圧縮性ナビエ＝ストークス方程式を解き、粒子のスムージング長と境界条件を慎重に実装する。
• 時間平均および水深平均の垂直方向渦度場は、式 (10) を用いて計算され、水平方向の流れの回転と渦構造の分析に用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 斜面の勾配は、短周期波の破壊におけるリップ・コルゼンの強さと沿岸域の渦環形成にどのように影響するか？
• RQ2 入射波の高さは、波場の複雑さ、特に孤立波や波の振幅の diffraction にどのように影響するか？
• RQ3 入射波の角度（またはリップ・コルゼンの間隔）は、二次的渦環の数と構造をどのように制御するか？
• RQ4 垂直方向の渦度は、短周期波系における3次元渦構造と複雑な流れのパターンを特徴付けるために果たす役割は何か？

主な発見

• 急勾配の斜面における短周期波の破壊は、やや緩い勾配よりも、沿岸域で強いリップ・コルゼンとより大きな渦環を生成する。
• 大きな入射波の高さは、特に内波域において、孤立波や波の振幅の diffraction を含むより複雑な波場を生じさせる。
• リップ・コルゼンの間隔が狭い（大きな入射波の角度による）場合、ノード線とアンチノード線の間に二次的渦環は形成されないが、間隔が比較的大きい場合には複数の二次的渦環が出現する。
• 時間平均および水深平均の垂直方向渦度場は、観察された循環パターンと相関しており、3次元渦と複雑な流れの回転が存在することを確認している。
• 強い渦度領域では、波の上昇に逆らっても流れが発生することがあり、渦度と沿岸域循環ダイナミクスの間の複雑なフィードバックが示唆される。
• シミュレーション結果は、波の重ね合わせとリップ・コルゼンの相互作用が、複数の渦環や渦運動を含む複雑な流体力学的構造を生成することを裏付けている。