[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究采用无网格光滑粒子流体动力学（SPH）模型GPUSPH，通过叠加两个相交的波列，模拟了平面海滩上短峰波破碎过程。主要发现表明，坡度更陡的海滩会产生更强的 rip 流和更大的环流细胞；而波高更大、rip 流间距更宽则导致波场更复杂，出现孤立破碎波、波 diffraction（衍射）以及多个次级环流细胞。

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.

研究动机与目标

• 研究海滩坡度、入射波高和入射波角度对破波区短峰波破碎的影响。
• 利用 SPH 模拟研究短峰波破碎产生的近岸环流模式和垂向涡度场。
• 理解波叠加和 rip 流间距在塑造复杂近岸水动力学中的作用。
• 通过改进的数值设置，验证并拓展先前关于短峰波系统中三维涡旋和环流细胞的研究发现。

提出的方法

• 通过同步波列法生成短峰波，即叠加两个周期相同但入射角度相反的波列。
• 海床边界处的自由表面轮廓由公式 (1) 定义，其中包含波数、角频率以及节点/反节点线之间的横向间距 λ。
• 采用由多个翻板式波浪发生器组成的“蛇形”波浪发生器，根据公式 (5) 施加随时间变化的旋转角度，以生成预定波场。
• 数值模拟使用开源 GPUSPH 代码进行，模拟水池宽 20 m，近岸水深 0.5 m，平面海滩坡度可调。
• SPH 模型通过核近似导数求解不可压缩的 Navier-Stokes 方程，粒子平滑长度和边界条件均经过仔细处理。
• 利用公式 (10) 计算时间平均和深度平均的垂向涡度场，以分析水平流动旋转及涡旋结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 海滩坡度如何影响短峰波破碎过程中的 rip 流强度和近岸环流细胞的形成？
• RQ2 入射波高如何影响波场复杂性，包括孤立破碎波和波幅衍射？
• RQ3 入射波角度（或 rip 流间距）如何控制次级环流细胞的数量和结构？
• RQ4 垂向涡度在表征短峰波系统中三维涡旋结构和复杂流型方面起到什么作用？

主要发现

• 与较平缓的坡度相比，短峰波在更陡的海滩上破碎时，会在近岸区域产生更强的 rip 流和更大的环流细胞。
• 较大的入射波高会导致更复杂的波场，包括孤立破碎波和波幅衍射，尤其在内破波区更为显著。
• 当 rip 流间距较窄（由于入射波角度较大）时，在节点线与反节点线之间不会形成次级环流细胞；只有当间距相对较大时，才会出现多个次级细胞。
• 时间平均和深度平均的垂向涡度场与观测到的环流模式相关，证实了三维涡旋和复杂流动旋转的存在。
• 在强涡度区域，水流可逆波浪增水方向流动，表明涡度与近岸环流动力学之间存在复杂反馈。
• 模拟结果证实，波叠加与 rip 流相互作用可生成复杂的水动力结构，包括多个环流细胞和涡旋运动。