[论文解读] On the local properties of highly nonlinear unsteady gravity water waves. Part 2. Dynamics and onset of breaking

Xavier Barthélémy, Michael L. Banner+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Ocean Waves and Remote Sensing参考文献 29被引用 9

一句话总结

本研究提出了一种鲁棒的阈值参数，用于使用完全非线性边界元模型预测二维和三维无旋重力水波的破碎起始。通过追踪波峰处能量通量速度与波峰速度的局部比值，该研究在最大周期性波与临界破碎波之间建立了清晰的区分，破碎可提前多达半个载波周期被检测到。

ABSTRACT

We revisit the classical, but as yet unresolved problem of predicting the breaking onset of 2D and 3D irrotational gravity water waves. This study focuses on domains with flat bottom topography and conditions ranging from deep to intermediate depth (depth to wavelength ratio between 1 and 0.2). Using a fully-nonlinear boundary element model, our initial calculations investigated geometric, kinematic and energetic differences between maximally recurrent and marginally breaking waves in focusing wave groups. Maximallyrecurrent waves are clearly separated from marginally-breaking waves by their energy fluxes localized near the crest region. Specifically, tracking the local ratio of energy flux velocity to crest speed at the crest of the tallest wave in the evolving group provides a robust breaking onset threshold parameter. Warning of imminent breaking onset was found to depend on the strength of breaking, but was detectable only up to half a carrier wave period prior to a breaking event.

研究动机与目标

• 解决预测二维和三维无旋重力水波破碎起始这一长期未解的经典难题。
• 研究最大周期性波与临界破碎波在局部动力学、几何形态和能量特性上的差异。
• 识别聚焦波群中即将破碎的可靠、局部化阈值参数。
• 研究破碎预警时间对波破碎强度的依赖性。
• 分析水深与波长比从0.2到1范围内的波浪动力学，涵盖中等水深至深水条件。

提出的方法

• 采用完全非线性边界元法模拟具有平坦底地形的非定常无旋重力水波。
• 聚焦于水深与波长比在0.2至1之间的波群，覆盖深水至中等水深区域。
• 将波群中最高波的波峰处能量通量速度与波峰速度的局部比值作为关键诊断参数进行追踪。
• 分析波峰区域的几何、运动学和能量特性，以区分最大周期性与临界破碎状态。
• 使用时间序列分析，基于能量通量比的演化确定破碎起始的预警提前时间。
• 通过对比不同波群聚焦条件和破碎强度下的波浪行为，验证了该阈值参数的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种局部动力学参数能可靠地区分最大周期性波与临界破碎波？
• RQ2 能量通量速度与波峰速度比在波破碎起始前如何演化？
• RQ3 使用该参数检测即将发生的破碎起始，最大预警时间是多少？
• RQ4 破碎强度如何影响起始预警的可检测性？
• RQ5 在波峰附近，周期性波与破碎波状态在几何和能量特性上有多大差异？

主要发现

• 波峰处能量通量速度与波峰速度的局部比值可作为识别破碎起始的鲁棒阈值参数。
• 最大周期性波与临界破碎波之间存在清晰区分，其特征为能量通量在波峰区域的局域化。
• 利用该参数，可提前多达半个载波周期检测到即将发生的破碎起始。
• 预警时间取决于破碎强度，破碎越强烈，其起始越能被更早检测到。
• 能量通量速度与波峰速度比在破碎前表现出明显且一致的上升趋势，从而实现可靠检测。
• 该方法在水深与波长比从0.2到1的范围内成功区分了不同波浪状态，证实其在中等至深水条件下的鲁棒性。