强非线性波浪与剪切流相互作用的实验研究

Waves and currents always coexist in ocean, and wave-current interaction is a key issue in the research fields of the coastal engineering and the nonlinear ocean wave dynamics. Realistically, current profiles are always varying with water depth, for example, wind-driven currents and tidal currents in coastal estuaries. Therefore, researches on wave propagating on shear currents are very important. However, the relating physical experimental studies are rare so far. Mainly by means of physical experiments, the present project will systematically investigate the interactions of waves and shear currents. To achieve this goal, shear currents with difference surface velocities,vorticities and profiles will be generated in a flume. Then the evolution of monochromatic waves, focusing waves will be investigated on the shear flows. Using wave gauges, a high-speed camera and the PIV technology to capture the variations of wave elevations and the local velocity distribution in wave blocking points. Additionally, the process of formation of incipient wave breaking/extreme waves and the corresponding wave shapes and the wave velocity will also be investigated. Lastly, the velocity profiles underneath the crests and troughs of extreme waves can be obtained precisely. Through the research of the project, not only the theory of upper ocean wave dynamics can be extended, the results also can be used in the hydrodynamic analysis of marine structures in extreme wave conditions.

海洋中的波浪与水流常常是共存的，波流相互作用是海岸工程和非线性水波动力学领域极其重要的研究方向。实际海洋中的水流沿水深分布并不均匀，比如风生流和河口潮流，因此深入研究波浪在剪切流中传播的特征非常重要，然而目前相关的实验研究非常缺乏。本项目主要通过物理模型实验系统研究波浪与剪切流的相互作用，分析研究剪切流的方向、表面流速、涡量和水流速度剖面形式对波浪传播的影响，深入理解波浪和剪切流相互作用的过程，从而拓展非线性水波理论；通过高精度浪高仪、高速摄像机和粒子图像测速(PIV)技术相结合的方式分析剪切流作用下波浪阻塞的发生过程及局部流场特征，着重分析剪切流中极端波浪的发生过程、对应波浪的形态和临界破碎点的局部流场特征，得到精确的波流场的流速分布，因此可以为极端海洋环境下的建筑物的水动力分析提供准确、有效的外部环境荷载。

海洋中的波浪与水流常常是共存的，波流相互作用是海岸工程和非线性水波动力学领域极其重要的研究方向。实际海洋中的水流是沿水深变化的，比如风生流和河口潮流，因此深入研究波浪在剪切流中传播的特征非常重要。本研究以物理模型试验为主，理论分析和数值模拟项辅的方法，深入研究了强非线性极端波浪与水流相互作用的特征，在以下五个几个方面取得了重要的研究成果：（1）推导了剪切流作用下的极端波浪特性理论分析模型，通过该模型研究了水流和剪切流的涡量对极端波浪时空演化的影响规律；(2) 实现了物理水槽中剪切流的生成，采用PIV方法研究了强非线性规则波在均匀流和剪切流中特征，发现剪切流对波浪的影响是通过涡量对色散关系的改变而影响波浪的特征和流场，进一步研究了剪切流对聚焦波浪的波面和流场特性的影响，发现逆向剪切流的存在可提高波浪的极限波陡；（3）试验研究了逆流对随机波浪中畸形波的形态和统计特征的影响规律；（4）实验研究了Peregrine呼吸子在均匀流和剪切流中传播演化的试验，结果表明呼吸子的三角形特征能谱在强流环境中能够保持，逆流会使得呼吸子的聚焦位置前移，逆剪切流和均匀流都可以显著地改变了呼吸子的动力学特征，水流加速了波浪的演化发展，形成极端波浪，逆剪切流时高阶谐波对最大波峰和最大波高的贡献显著；（5）开发了模拟复杂条件下非线性波浪传播演化的非静压水波模型，实现了非线性波浪与任意剖面水流相互作用的模拟。本项目的研究拓展了波浪与水流的相互作用的认识，揭示了剪切流对极端波浪的影响规律，具有重要的科学意义还具有潜在的工程应用价值。