Variational multiscale modeling of Langmuir turbulent boundary layers in shallow water using Isogeometric Analysis
Variational multiscale modeling of Langmuir turbulent boundary layers in shallow water using Isogeometric Analysis
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使用等几何分析对浅水中 Langmuir 湍流边界层进行变分多尺度建模
DOI：
10.1016/j.mechrescom.2020.103570
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发表时间：
2020
影响因子：
2.4
通讯作者：
Bazilevs, Yuri
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhu, Qiming;Yan, Jinhui;Tejada-Martínez, Andrés E.;Bazilevs, Yuri
本文利用Craik-Leibovich方程的变分多尺度公式，提出了具有Langmuir环流的浅水风浪驱动湍流边界层的大涡模拟（LES）。采用基于二次非均匀有理基样条（NURBS）基函数的等几何分析（IGA）方法进行了仿真。本文首先模拟了具有代表性的陆架内开阔海域的湍流朗缪尔数La t= 0.7，风应力摩擦雷诺数Re τ= 395的平底面上的风波驱动湍流边界层。本文的结果与基于更高网格分辨率[1]的光谱LES的参考结果一致。然后，为了研究海底地形对湍流的影响，我们模拟了一个风和波强迫平行于海岸的倾斜底面上的湍流边界层，代表了一个冲浪架过渡带。我们发现，当水柱变浅接近岸上时，Langmuir单体的大小增大，单体中心向岸上移动。对岸边的平均流速和湍流动能进行了量化。
We present large-eddy simulations (LES) of wind and wave-driven turbulent boundary layers in shallow water with Langmuir circulation using a variational multi-scale formulation of the Craik-Leibovich equations. The simulations are performed using Isogeometric Analysis (IGA) based on quadratic non-uniform rational basis spline (NURBS) basis functions. Wind and wave-driven turbulent boundary layers over a flat bottom surface representative of open ocean conditions in inner-shelf regions with turbulent Langmuir number L a t= 0.7 and wind stress friction Reynolds number R e τ= 395 are first simulated. The present results agree well with the reference results based on a spectral LES with higher mesh resolution [1]. Then, to investigate the effect of seabed topography on the turbulence, we simulate turbulent boundary layers over a sloped bottom surface with wind and wave forcing parallel to the shore, representative of a surf-shelf transition zone. We find that the Langmuir cell size increases as the water column shallows approaching onshore and the cell center shifts to the onshore direction. The mean velocity and turbulent kinetic energy along the shore are quantified.
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