沙坝海岸沿岸流和裂流特征研究

摘要

本文通过物理模型实验研究了1∶100和1∶40坡缓坡情况下沙坝海岸上沿岸流和裂流特征，并借助数值模拟分析了实验结果。研究内容包括平均沿岸流速度剖面双峰特征和不稳定运动，丁坝反射形成的叠加波浪场情况下裂流的水平分布特征、垂向分布特征和不稳定运动。裂流实验中的叠加波浪场是由斜向入射波经水底斜坡折射、丁坝反射后形成的反射波和入射波叠加而形成的，该波浪场也等同于具有等波幅和等频率但入射角相反的两波列叠加。其特征是在沿岸方向形成驻波，该驻波在沿岸方向有等间距的节腹点分布，从而在沿岸方向波高呈周期性变化。对裂流流场的实验测量中采用了仪器定点测量和浮子示踪两种测量方法。
　　实验研究了1∶100和1∶40坡缓坡情况沙坝海岸平均沿岸流特征，并借助数值模拟分析了实验结果。通过沿岸方向布置的ADV讨论了的平均沿岸流在沿岸方向上的均匀性，给出了沙坝海岸平均沿岸流双峰剖面分布特征:第一峰值发生在沙坝向岸侧面的中部，第二个峰值位于岸线附近处。重点是定量测量了沿岸流速度第二峰值的位置和比值，并给出了二峰值比值。
　　实验研究了无裂流槽(1∶40坡)和有裂流槽(1∶100和1∶40坡)沙坝海岸丁坝反射波产生的平均裂流特征。分析对象分别针对沿岸地形一致的无裂流槽情况和沿岸地形不一致的有裂流槽地形情况。通过在理论节腹点位置波高的测量得到波浪场，结合ADV定点测量和浮子示踪法测量给出了无裂流槽和有裂流槽情况的裂流流场特征，讨论了有裂流槽和无裂流槽情况裂流驱动力和裂流流场特征的差异，分析了叠加波浪下周期、波高、裂流槽和坡度对沙坝海岸裂流流场特征的影响。进行了1∶40坡有裂流槽沙坝海岸下裂流槽中心处的裂流垂向分布物理模型实验和数值模拟研究，分析了裂流流速的垂向变化规律，对裂流垂直岸线流速结果分别采用对数分布和指数分布进行了数据拟合。并借助基于POM模型的二三维近岸流计算模型对实验结果进行了数值模拟。
　　研究了沙坝存在对沿岸流不稳定运动的影响。这一影响体现为沿岸流流速剖面具有以下两个不同于平坡沿岸流的两个特征:一个是速度剖面存在第二峰，另一个是速度剖面的最大峰值位置不同。利用线性不稳定理论和最大熵谱分析方法分析了沙坝海岸沿岸流的不稳定性特征。利用沿岸流线性不稳定理论给出了1∶100和1∶40坡情况不同的流速速度拟合曲线所对应的不稳定增长模式。结果表明:两个坡度情况所有波况沿岸流不稳定同时存在前剪切和后剪切两个不稳定模式。通过对1∶100和1∶40坡情况下沿岸流的流速时间历程的谱分析结果反映了沿岸流不稳定特征，并与线性不稳定理论得到的不稳定增长模式结果进行了对比。并通过墨水运动显示的不稳定波长和线性理论计算所得的不稳定波长进行对比来反映沿岸流不稳定的特征。对无裂流槽(1∶40坡)和有裂流槽(1∶100和1∶40坡)沙坝海岸丁坝反射波生成裂流的流速时间历程进行了谱分析，给出了沙坝海岸裂流的不稳定的谱特征。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1．绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 沿岸流和裂流的国内外研究概况

1．2．1 平均沿岸流的研究进展

1．2．2 裂流的研究进展

1．2．3 近岸流数值模拟的研究进展

1．2．4 近岸流不稳定性的研究进展

1．3 本文的主要内容

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 章节安排

2．研究方法

2．1 实验布置和方法

2．1．1 沿岸流实验

2．1．2 无裂流槽裂流实验

2．1．3 有裂流槽裂流实验

2．1．4 有裂流槽裂流垂向分布实验

2．1．5 浮子测量

2．1．6 时间历程

2．2 数值模拟方法

2．2．1 平均沿岸流计算的水平一维模型

2．2．2 裂流计算模型

2．3 本章小结

3．沙坝海岸平均沿岸流特征研究

3．1 平均沿岸流均匀性和重复性

3．1．1 平均沿岸流沿岸均匀性

3．1．2 平均沿岸流测量结果的重复性

3．2 平均沿岸流速度剖面特征

3．3 速度剖面的影响因素

3．3．1 波高、入射波类型和坡度的影响

3．3．2 周期的影响

3．4 应用数值模拟分析实验结果

3．4．1 影响速度剖面的因素

3．4．2 平均沿岸流数值模拟结果

3．5 本章小结

4．无裂流槽沙坝海岸丁坝反射波生成裂流

4．1 裂流流场特征

4．1．1 波浪场特征

4．1．2 流场和涡特征

4．2 波高的影响

4．2．1 对流速分布的影响

4．2．2 对环流系统的影响

4．3 周期的影响

4．3．1 对流速分布的影响

4．3．2 对环流系统的影响

4．4 应用数值模拟分析实验结果

4．4．1 影响速度剖面的因素

4．4．2 裂流数值模拟结果

4．5 本章小结

5．有裂流槽沙坝海岸丁坝反射波生成裂流

5．1 裂流流场特征

5．1．1 波浪场特征

5．1．2 流场和涡特征

5．2 坡度的影响

5．3 波高的影响

5．3．1 对流速分布的影响

5．3．2 对环流系统的影响

5．4 周期的影响

5．4．1 对流速分布的影响

5．4．2 对环流系统的影响

5．5 应用数值模拟分析实验结果

5．6 本章小结

6．裂流垂向分布特征

6．1 裂流矢量分布特征

6．2 裂流垂向分布特征及拟合

6．2．1 裂流垂向分布的拟合方法

6．2．2 分布特征和拟合结果

6．3 应用数值模拟分析实验结果

6．3．1 影响速度剖面的因素

6．3．2 裂流数值模拟结果

6．4 本章小结

7． 沙坝海岸沿岸流的不稳定特征

7．1 沿岸流线性不稳定数学模型

7．1．1 控制方程

7．1．2 模型的验证

7．2 实验沿岸流的线性不稳定分析

7．3 实验沿岸流的谱分析

7．4 墨水运动反映的沿岸流不稳定特征

7．5 本章小结

8．沙坝海岸裂流的时变特征

8．1 1：40坡无裂流槽沙坝海岸

8．2 1：40坡有裂流槽沙坝海岸

8．3 1：100坡有裂流槽沙坝海岸

8．4 本章小结

9．结论与展望

9．1 结论

9．2 创新点

9．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介