基于CFD与雷诺应力模型的溢流破波下波浪与滚轮能量耗散率闭合研究

本研究针对近岸带溢流破波中波浪与滚轮(roller)能量耗散率参数化难题，通过雷诺应力模型(RSM)的CFD模拟，创新性提出波浪能量耗散时间尺度演化方程和滚轮特性相关的时间尺度闭合方案。在平面海滩和沙坝海滩验证中，波浪与滚轮能量通量预测误差分别降低70%和50%，为海岸工程模型(SHM)提供了高精度参数化方案。

　　

在海岸带这个充满活力的交界区域，波浪破碎产生的能量耗散过程一直是科学家和工程师们关注的焦点。当波浪以"溢流破波"(spilling breaker)形式破碎时，会在波峰前方形成水平涡旋结构——"滚轮"(roller)，这个看似简单的物理现象却深刻影响着近岸流、泥沙输运甚至海岸地貌演变。然而，现有的海岸带水动力学模型(SHM)在模拟这一过程时面临两大瓶颈：一是传统参数化方案对波浪能量耗散率(D_w
)的简化处理忽略了时间演化特征；二是滚轮能量耗散率(D_r
)常被简化为常数，导致对滚轮能量通量预测偏差高达50%以上。这些问题严重制约了海岸工程设计的精确性和灾害预警的可靠性。

针对这些挑战，台湾地区的研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项突破性研究。该团队创新性地将计算流体动力学(CFD)与七方程雷诺应力模型(RSM)相结合，通过全尺度数值实验揭示了溢流破波下能量耗散的内在机制。研究首先在平面海滩上建立了能量耗散的新闭合关系，随后在更复杂的沙坝地形中验证了其普适性。特别值得注意的是，该工作首次提出了基于滚轮特性的时间尺度参数化方案，使滚轮能量通量预测误差降低至现有模型的一半。

关键技术方法包括：采用RSM模型精确捕捉湍流各向异性特征；通过涡量阈值法分解波浪与滚轮能量分量；建立包含12个全尺度案例的CFD数据集（波高0.5-0.68m，周期4-7s，坡度1/50-1/100）；开发基于松弛过程的D_w
演化方程和滚轮特征尺度相关的D_r
计算框架。

数值模型部分详细阐述了CFD-RSM耦合模型的构建过程。该模型通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程，采用各向异性的应力输运方程替代传统涡粘性假设，有效克服了传统k-ε模型在破波区湍动能高估的问题。模型-数据对比环节显示，该模型对波浪高度和平均水位的预测误差小于5%，显著优于传统SHM。

新闭合关系章节是研究的核心创新。通过分析平面海滩上不同波况下的能量通量分布，发现D_w
遵循指数衰减规律而非传统假设的瞬时耗散，据此建立了包含松弛时间参数τ_w
的演化方程。对于D_r
，研究突破性地将其与滚轮厚度和波前斜率直接关联，提出τ_r
∝(δ_r
/c)^0.5
的物理模型（δ_r
为滚轮厚度，c为波速）。

不同闭合方案对比部分在沙坝地形中验证了新模型的优越性。相较于传统方法，新方案将波浪和滚轮能量通量的标准化均方根误差分别降低70%和50%。特别是在沙坝背浪侧，新模型准确预测了二次破碎引发的能量耗散突变，这是恒定参数模型无法实现的。

结论部分强调，该研究建立的物理机制明确的闭合关系，使SHM首次具备准确模拟复杂地形下能量耗散时空演变的能力。这不仅为海岸工程设计提供了更可靠的工具，其提出的滚轮特征尺度理论框架更为后续研究开辟了新方向。正如研究者指出的，这项成果或将推动新一代海岸灾害预警系统的革新，在应对日益严峻的海平面上升挑战中发挥关键作用。