风强迫破碎波中的动量通量

我们通过直接数值模拟 (DNS) 求解气-水两相 Navier-Stokes 方程，研究了湍流空气边界层与成长-破碎波场之间的动量通量。充分发展的湍流气流驱动窄带波场的成长，其振幅不断增大直至达到破碎条件。破碎事件导致波能损失并转移至水柱中，随后在风强迫下重新成长。我们通过成长-破碎循环的视角，重新审视了高风速状态下的动量通量分析，该状态以摩擦速度与波速之比 $u_\ast/c$ 在 $[0.3-0.9]$ 范围内为特征。跨越界面的总动量通量由压力主导，压力在成长期间随 $u_\ast/c$ 增大，而在破碎期间急剧减小。破碎期间的阻力减小与气流分离、流动的突然加速、平均流向速度剖面的上移以及 Reynolds 剪应力的减小有关。我们通过将成长和破碎阶段分开处理并视为独立的子过程，利用空气动力学阻力系数表征了压力应力的减小和流动加速。虽然阻力在成长期间随 $u_\ast/c$ 增大，但在破碎期间会下降。对两个阶段进行平均会导致阻力系数在高 $u_\ast/c$ 下出现饱和，这与实验室和现场条件下在高风速时观测到的现象相当。我们的分析表明，这种饱和是由破碎动力学控制的。