风浪与涌浪相互影响的实验

陈汉宝，刘海源，徐亚男，白玉川

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

风浪与涌浪相互影响的实验

陈汉宝1,2，刘海源2，徐亚男2，白玉川1

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

大自然的海浪往往是风浪与涌浪混合在一起，为此研究了实验室的风浪水槽中模拟风浪与涌浪的相互影响，用脉动风模拟风浪及风与浪的耦合作用，用造波机产生不规则波模拟周期相对较长的涌浪．通过单独风浪、单独涌浪、先风浪后涌浪和先涌浪后风浪4种情况的模拟，从波谱的角度分析风浪与涌浪相互影响的规律．发现影响风能输入的主要因素是波浪是否充分发展，而与波陡、风速、波速等没有直接关系，为风浪对海上建筑物的耦合作用研究提供了依据．

风浪；涌浪；相互影响

由于海洋灾害造成的经济损失约占全球所有自然灾害损失的10%．海浪包括风浪和涌浪．风浪是在风的直接作用下产生的水面波动，涌浪是指传出风区的海浪．在掩护型的港湾和岛屿之间以及台风的影响区域，海浪都通常表现为风浪与涌浪的叠加．涌浪与风浪的相互作用的研究始于对长短波的研究，20世纪40年代Unna在实验室中观测到，当短波遇上长波时，短波的波长在长波波峰处变短，在长波波谷处变长．涌浪与风浪的相互作用很复杂，实验室实验和海上观测给出了不尽相同的结论，并且对于这些观测结果也已提出多种可能的解释．

文献[1-4]指出，与风同向的涌浪对风浪成长起抑制作用，并且随着涌浪波陡的增加，抑制作用增强. Masson[5]的数值计算表明，能量传输随纯风浪谱峰频率与涌浪频率比值的增加而迅速下降，当该比值大于1.6时，这一能量传输可以忽略．Donelan[4]的实验观测还显示，涌浪对风浪的风输入没有影响，然而涌浪与风之间的耦合会引起风浪风输入的减小．实验室条件下的结论大多认为涌浪会抑制风浪的成长，然而海上研究的结果跟实验室结论相差较大．

研究[6-8]表明，风能向波浪的传递与波陡、波浪的表面光滑程度有关．波陡越大、表面越粗糙，风能的转化率越大．也有研究[9-11]指出，风能的转化还与风速和波浪传播速度有关，有效的转化发生在风速大于波浪传播速度的情况．波浪对风的垂向分布结构也存在影响[12]．

风对波浪的影响不仅表现在波能、波高上，还表现为波浪周期以及波谱的变化．一些经验性的公式表达了波浪周期的变化．多个实测的数据表明在风浪与涌浪叠加时出现了双峰的波谱[13-15]．

由于现场实测的因素复杂，而实验模拟又存在难度，风浪与涌浪相互作用的研究尚不充分．本文通过风浪水槽实验研究分析风浪涌浪同向时的波浪特征.为全面反映脉动风成浪和不规则涌浪过程间的相互影响，采用波浪的能量谱来反映风浪和涌浪间能量转化的大小与频率的关系[16-17]．

1 风与涌浪的模拟

实验在交通运输部工程泥沙重点试验室的风浪水槽中进行，水槽长65,m、宽1,m、高1.8,m，采用吸式造风，最大造风能力14,m/s．实验中采用热线风速仪测量水面以上不同高度处的风速．实验模拟脉动风，风谱采用我国《公路桥梁抗风设计指南》推荐用谱，在实验水槽内考虑顺风向，风谱表达式为

式中:Su(n)为顺风向脉动风过程的自谱密度函数；n为频率，Hz；v*为风的剪切速度；x=nz/vz，vz为高度z处的平均风速，m/s．实验中采用谐波合成法来得到脉动风的过程，并以此控制造风系统．

采用吸收式造波机造波，波谱采用谱峰因子为3.3的JONSWAP，模型水深0.65,m．模拟有效波高/有效周期分别为:Hs=10,cm/Ts=1.15,s、Hs= 15,cm/Ts=1.5,s、Hs=20,cm/Ts=2,s 3组波浪，实测波浪分析波谱见图1，其中横轴f为频率，纵轴S为谱密度．

图1 模拟涌浪实测波谱示意Fig.1 Measurement wave spectrum of swell

2 风成浪的特征分析

取风距为40.51,m的测点进行风成浪分析，涌浪测点及混合浪的分析用测点与风成浪测点相同．不同风时的风成浪分析结果见图2和图3．随着风时的增加，风成浪的频率逐步减小，波能逐步增加．平均风速为5,m/s时，谱峰频率接近1.7,Hz；平均风速为7,m/s时，谱峰频率接近1.4,Hz．从图中还可看出，随着风时的增加，波浪能量的频率分布更为集中．

图2 风速为5,m/s时风成浪分析结果Fig.2 Storm wave spectrum when wind speed is 5,m/s

图3 风速为7,m/s时风成浪分析结果Fig.3 Storm wave spectrum when wind speed is 7,m/s

3 先风浪后涌浪的规律分析

风浪与涌浪的混合在现场中存在着多种情况，例如港池或岛屿后的掩护区域，表现为风浪形成后涌浪经过绕射加入．实验中模拟风时240,s后再加入涌浪，从实验结果分析此时风浪在短水槽中已经充分成长，测得的风浪谱密度曲线变化非常小．实验采用3种涌浪波高及对应周期、2种平均风速进行研究．图4～图7给出了单独涌浪、单独风浪和风浪涌浪混合3种情况的波谱对比．

先风浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)的模拟结果(见图4)显示，混合后的波浪能量增加，谱峰频率由涌浪向风浪略移，涌浪低频部分能量抑制，而谱峰能量增加，风浪谱峰频率部分能量完全转移．

图4 先风浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)的模拟结果Fig.4 Mixed wave spectrum of wind(v=5,m/s)and following wave(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)

先风浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)的模拟结果(见图5)显示，混合后的波浪能量明显增加，谱峰宽平，谱峰频率向风浪略移，保留了部分涌浪谱峰特征，风浪谱峰特征也有保留，风浪对应频率向涌浪谱峰频率移动．

图5 先风浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)的模拟结果Fig.5 Mixed wave spectrum of wind(v=7,m/s)and following wave(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)

先风浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)的模拟结果(见图6)显示，混合后的波浪能量有所增加，谱峰能量增加，峰频没有变化，风浪谱峰频率部分能量完全转移．

图6 先风浪(v=5,m/s)后涌浪(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)的模拟结果Fig.6Mixed wave spectrum of wind(v=5,m/s)and following wave(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)

先风浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=20,cm/Ts=2,s)的模拟结果(见图7)显示，风浪的能量转化受到抑制，混合后的波浪基本呈现涌浪的特征与大小．

图7 先风浪(v=7,m/s)后涌浪(Hs=20,cm/Ts=2,s)的模拟结果Fig.7Mixed wave spectrum of wind(v=7,m/s)and following wave(Hs=20,cm/Ts=2,s)

所模拟的组次中，涌浪的能量占据主要的成分，因此以混合浪的能量减去涌浪的能量作为风浪能量的输入来分析两者的相互影响[18-19]．先风浪后涌浪能量转化分析见表1．表中涌风能量比表示涌浪的能量与单独风成浪能量的比值，其波浪的能量可以用其对应谱密度曲线的零阶矩进行计算；风浪转化率是指混合浪的能量与涌浪能量的差值与风浪能量的比值.

表1 先风浪后涌浪能量转化分析Tab.1 Wind wave energy transfer of wind and following swell

实验中还模拟了一些交叉组次并进行了多次重复，所显示的规律与本文列出的4个组次是相同的.其中组次4在实验中出现了大波破碎的情况. 分析表1中的数据，涌浪在对应水深和风速下，是否达到风速对应无限风距下的最大波高可能是风能输入是否受到抑制的判定依据．如果涌浪波高没有达到风速对应无限风距下的最大波高，风能就会持续输入，其数值接近于风成浪的能量．本次实验由于实验条件的限制，风速对应无限风距下的最大波高无法得出，但从组次2和4的实验结果可以看出，当风速一样时，涌浪波高增大风能的输入相对而言就会受到抑制．同时，在某些情况下，由于涌浪的存在使得水面粗糙度增加，风能的输入超过了单独风浪的能量．

4 先涌浪后风浪的规律分析

对应于在开阔海域涌浪背景下的风场的作用，这里采用先形成涌浪再加风进行模拟，模拟结果见图8～图11．同样，对于先涌浪后风浪的组次，发现有的情况下结果有所差别．对应于4个组次，风能转化率分别为-3%、62%、17%、5%．可见在涌浪背景下，风能的输入受到了抑制．从实验现象进行分析，先风浪后涌浪的情况，水表面小波纹很多，比较粗糙；先涌浪后风浪的情况，水表面小波纹很少，比较光滑．产生这种情况的原因可能是模型中的实验条件过于理想，虽然这个实验结果与他人的模拟结果相接近，笔者认为并不符合现场的实际情况，现场在不良的海况下，水面难以出现光滑的情况．

图8 先涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)后风浪(v=5,m/s)的模拟结果Fig.8 Mixed wave spectrum of wave(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)and following wind(v=5,m/s)

图9 先涌浪(Hs=10,cm/Ts=1.15,s)后风浪(v=7,m/s)的模拟结果Fig.9 Mixed wave spectrum of wave(Hs=10,cm/Ts= 1.15,s)and following wind(v=7,m/s)

图10 先涌浪(Hs=15,cm/Ts=1.5,s)后风浪(v=5,m/s)的模拟结果Fig.10Mixed wave spectrum of wave(Hs=15,cm/Ts= 1.5,s)and following wind(v=5,m/s)

图11 先涌浪(Hs=20,cm/Ts=2,s)后风浪(v=7,m/s)的模拟结果Fig.11Mixed wave spectrum of wave(Hs=20,cm/Ts= 2,s)and following wind(v=7,m/s)

5 结 论

(1) 实验中风浪涌浪同时存在的条件下，风能的输入与涌浪的波陡、风速、波速、风浪和涌浪的频率的直接关系不明显．

(2) 涌浪在对应水深和风速条件下，是否达到风速对应无限风距下的最大波高可能是风能输入是否受到抑制的判定依据．

(3) 在某些情况下，由于涌浪的存在使得水面粗糙度增加，风能的输入超过了单独风浪的能量．

(4) 实验室先形成涌浪再加风时，风能的输入受到了抑制，此时水面光滑，与现场条件不符．

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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.

交通运输科技资助项目(2011318494150，2011318223170).

陈汉宝（1971— ），男，研究员，chenhanbao@163.com．

白玉川，ychbai@tju.edu.cn.