缓坡沿岸流不稳定性特征研究

摘要

目前对沿岸流的实验研究主要针对现场实验和较陡坡实验情况，为了研究缓坡情况下的沿岸流是否存在不同于陡坡情况的特征，本文通过物理模型实验和数值模拟研究了缓坡情况下的平均沿岸流和沿岸流不稳定运动，得到了缓坡地形条件下不同于陡坡情况下的波高、波浪增减水和平均沿岸流速度分布特征以及其对应的沿岸流不稳定运动特征。 本文针对1∶100和1∶40平坡海岸进行了不同波高和不同周期规则波和不规则波所产生的沿岸流的物理模型实验，讨论了所采用的被动式水流循环系统所引起的沿岸流的沿岸均匀性，给出了缓坡情况下波高、波浪增减水和平均沿岸流速度分布特征:缓坡情况下，波浪破碎后，波高呈下凹趋势，坡度越缓，波高下凹的趋势越明显;波浪增减水向岸增长趋势逐渐变缓，坡度越缓，波浪增减水向岸增长趋势越缓;1∶100坡度平均沿岸流海岸一侧分布呈下凹趋势而相应的1∶40坡度呈上凸的趋势。为了讨论这一速度分布特征所产生的机理，本研究采用平均沿岸流数值模型进行了平均沿岸流数值模拟，结果表明影响这些速度剖面特征的主要因素为破波带内波高分布和水底摩擦力表达式的选取，对后者更为敏感。1;100坡度海岸沿岸流速度剖面可由水流型水底摩擦力来计算出，而1∶40坡度海岸沿岸流速度剖面可由波浪型水底摩擦力来计算出。 为了显示沿岸流不稳定所引起的水流速度波动特征，模型实验中采用了在流场中注入连续输入的墨水来显示速度的波动，并通过CCD记录了显示的结果。通过图像处理，给出了对应不同波况的墨水输移特征以及它们所显示的沿岸流不稳定所引起的水流中涡运动的特征。沿岸流不稳定的特征周期通过最大熵谱估计分析确定，特征波长可由墨水的波动波长来显示。 采用沿岸流线性不稳定分析给出了1∶100和1∶40坡度下不同的平均速度分布所导致的不同的不稳定增长模式。1∶100坡度多数波况沿岸流不稳定存在前剪切和后剪切两个不稳定模式，而1∶40坡度仅存在后剪切不稳定模式。不稳定分析所给出的不稳定波动周期和波长与实验结果进行了对比。 通过数值求解水平二维近岸环方程，研究了实验中1∶100和1∶40海岸坡度各波况所对应的沿岸流非线性不稳定演化的特征，给出了缓坡情况下坡度、波高和不规则波对沿岸流不稳定的影响以及不稳定作用下的墨水扩散，特别讨论了这些因素对由沿岸流不稳定所引起的涡运动的影响。 通过逐次近似的方法给出了波浪场(Stokes质量输移流和一阶波浪水质点速度二者叠加)中离散系数的解析表达式，并首次提出了二阶离散系数。讨论了Stokes质量输移流和一阶波浪水质点速度对波浪场中离散系数的贡献，讨论了各部分离散系数的物理意义及量值大小。

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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 沿岸流研究进展

1．2．1 平均沿岸流研究

1．2．2 沿岸流不稳定运动研究

1．2．3 沿岸流作用下物质输移扩散研究

1．3 本文主要研究工作

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 本文结构框架

2 平均沿岸流实验研究

2．1 实验布置和实验方法

2．1．1 实验布置及地形

2．1．2 实验方法及渡况

2．2 平均沿岸流均匀性和重复性

2．2．1 平均沿岸流沿岸均匀性

2．2．2 平均沿岸流测量重复性

2．3 平均沿岸流剖面特征

2．3．1 1∶100坡度平均沿岸流剖面特征

2．3．2 1∶40坡度平均沿岸流剖面特征

2．4 本章小结

3 缓坡海岸平均沿岸流速度剖面特征

3．1 时均沿岸流模型及其简化解析解

3．1．1 时均沿岸流模型数学描述

3．1．2 平均沿岸流的解析解

3．2 模型参数对平均沿岸流速度剖面影响

3．3 平均沿岸流实验数值模拟结果

3．4 本章小结

4 沿岸流不稳定实验研究

4．1 沿岸流不稳定实验方法

4．2 沿岸流不稳定谱特征

4．3 墨水运动反映的沿岸流不稳定特征

4．3．1 沿岸流不稳定描述方法

4．3．2 墨水运动反映的沿岸流不稳定特征分类

4．4 本章小结

5 沿岸流线性不稳定分析

5．1 缓坡海岸沿岸流线性不稳定性特征

5．1．1 沿岸流线性不稳定控制方程

5．1．2 模型的数值求解

5．1．3 离散格式的验证

5．1．4 沿岸流线性不稳定模式

5．2 实验沿岸流线性不稳定性分析

5．3 波动周期与实验测量结果的对比

5．4 沿岸流线性不稳定空间变化特征

5．5 本章小结

6 沿岸流非线性不稳定特征数值研究

6．1 沿岸流非线性不稳定及物质输移扩散的数学描述

6．1．1 沿岸流非线性不稳定水动力方程数学描述，

6．1．2 物质输移扩散方程的数学描述

6．1．3 沿岸流非线性不稳定及物质输移扩散方程的数值求解

6．1．4 沿岸流不稳定模型验证

6．2 不规则波辐射应力的数学描述

6．2．1 不规则波辐射应力精确计算方法

6．2．2 不规则波辐射应力近似计算方法

6．2．3 波能近似计算方法实验验证

6．3 模型参数对沿岸流不稳定的影响

6．3．1 底摩擦系数和侧混系数的取值范围

6．3．2 底摩擦影响

6．3．3 侧混影响

6．4 实验中沿岸流非线性不稳定特征数值模拟

6．4．1 沿岸流非线性不稳定演化过程

6．4．2 线性不稳定阶段墨水运动状态数值模拟及验证

6．4．3 坡度对沿岸流非线性不稳定影响

6．4．4 波高对非线性不稳定影响

6．4．5 不规则波对沿岸流非线性不稳定影响

6．5 本章小结

7 波浪作用下离散系数的理论分析

7．1 离散系数的完整定义

7．2 浓度偏离值的解

7．2．1 浓度偏离值一次近似解

7．2．2 浓度偏离值二次近似解

7．2．3 浓度偏离值三次和高次近似解

7．2．4 浓度偏离值解释

7．3 离散系数的各次近似解

7．3．1 离散系数一次近似解

7．3．2 离散系数二次近似解

7．3．3 离散系数三次和高次近似解

7．3．4 总的离散系数

7．4 结果讨论

7．4．1 离散系数量值分析

7．4．2 一阶离散系数负离散效应

7．4．3 二阶离散系数解释

7．5 结果验证

7．5．1 潮流和Stokes质量输移流(D)(1)1t和(D)(1)1s贡献验证

7．5．2 与袁德奎等数值结果比较

7．5．3 与Patil等实验结果比较

7．6 波浪自由表面效应

7．7 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 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