浅海风-浪-流-海床耦合场非定常时空演化规律及评价指标

浅海地区海床地貌与波浪场、海流场和风场之间存在很强的实时耦合作用,现有分析模型无法直接考虑海床的影响因素,更难以解释典型海床地貌与海浪、剪切流和梯度风耦合场的非定常演化机理.基于STAR-CCM+平台二次开发,构建了海底平原、海底斜坡、海槽和平坦地貌 4 种典型海床地貌条件下的浅海风-浪-流数值水池;提出多层质点速度耦合方法并建立了多层风-浪-流耦合模型,在初始时刻即实现了风-浪-流场解耦,对比分析了各海床地貌下波浪场、海流场和风场的时空演化规律;引入主成分分析法对各典型海床地貌下风-浪-流非定常效应进行评价,建立风-浪-流-海床耦合场全生命周期非定常评价指标.结果表明:多层风-浪-流耦合模型能更真实反映垂向风速和流速分布不均匀对波浪场的影响;海床地貌会导致波浪场在演变过程呈多阶段时程分布,其中平坦地貌、海底斜坡和海槽工况共分为波面激增、衰减和稳定阶段,海底平原工况分为外破波、内破波和爬坡阶段;海流场在演变过程呈多段式空间分布,海床导致海流场形成多涡积聚或多涡共存的现象;风-浪-流-海床耦合演化对风剖面指数产生放大作用,海床床面高度与风剖面系数成正比关系;平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽的演化终期非定常评价指标分别为 0.268、4.612、0.672和 0.926.