波浪对潮流影响的数值模拟研究

摘要

对于海岸河口地区，波浪和潮流是最基本的水动力因素，对海岸带的开发、利用和管理起着重要的作用。波浪与潮流之间存在着相互影响。由于时间尺度或空间尺度，两者都存在很大的差别，因此研究波浪对潮流影响时存在很大的困难。波浪对于潮流的影响主要可以归结为：波浪辐射应力，波浪产生的表面和底部的边界层，Stokes 漂流与Coriolis 波浪应力。本文通过多重尺度展开方法，将以上的波浪影响，以附加项的形式添加到潮流方程中，研究其对潮位和流速过程的影响程度。研究的内容主要包括： 通过多重尺度展开方法，将波浪的影响参数化，推导出考虑波浪影响的潮流控制方程。利用量纲分析原理，对基本方程进行量级分析，确定不同波浪影响因素的量级。依据其结果，建立三个计算区域，分析波浪不同的影响因素导致潮流引起的变化，并且建立考虑波浪不同影响的判别标准。 对于二维情况，由于不考虑潮流的垂向结构，通过垂向积分后，波浪的影响因素主要为：波浪辐射应力，底摩阻以及Stokes漂流。因此，只是针对小区域变水深情况下进行模拟。通过建立的理想地形，分析其对于潮位和流速影响，并且考虑波浪破碎后产生的沿岸流动与潮流的叠加。从其计算结果中可以看出，无论是辐射应力，底摩阻还是斯托克斯漂流的影响，均是通过流速过程体现的。 在三维条件下，详细分析了不同波浪影响因素对于潮流潮位和流速的影响。根据量纲分析中得到的波浪影响的量级，在三种计算地形下，模拟了不同波浪影响因素对于潮流垂向结构影响。从其计算结果中可以看出，Coriolis 波浪应力使得潮流流速垂向重新分布，其影响深度为 Stokes 深度，根据不同的位置，会产生不同的影响。Stokes 漂流对于潮流的影响，相当于在潮流流速上添加一附加的流动，表层影响最大，随着深度的增加，影响逐渐减弱。波浪存在产生的表面和底部的边界层对于潮流的影响，与波浪水质点的运动有直接关系。表面边界层对于水体影响很小，可以忽略。底部边界层的影响随着水深的减小而增大。在近岸区域，波浪辐射应力对于潮流影响较大，使得水体在表层和底部流速均增大。 最后将本文得到的模型应用到渤海海域中，分析渤海内波浪对于潮流的影响。通过对渤海海域内风场资料的分析，选取 SW 向的风，利用 SWAN 模式计算渤海海域的风浪场。将波浪的五种影响因素同时添加到潮流计算中，分析波浪对于流场的影响情况。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言

1.1潮流模拟综述

1.2波浪模拟综述

1.3波流相互作用综述

1.4本文研究目的

2基本方程的推导

2.1基本控制方程

2.1.1连续方程

2.1.2动量方程

2.2波浪影响因素计算

2.2.1波浪辐射应力

2.2.2底部边界层

2.2.3 Stokes漂流

2.2.4 Coriolis波浪应力

2.2.5表面边界层

2.3波浪影响的量级分析

2.3小结

3二维波浪影响分析

3.1二维模型

3.1.1基本方程

3.1.2边界条件

3.1.3差分方程

3.1.4实验模型

3.2波浪模型

3.2.1波浪数学模型

3.2.2模型的验证

3.3波浪影响计算

3.4波浪影响分析

3.4.1计算模型

3.4.2波浪影响的单因素分析

3.4.2波浪影响的多因素分析

3.5小结

4三维波浪影响分析

4.1三维模型

4.1.1基本方程

4.1.2边界条件

4.1.3差分方程

4.1.3稳定条件

4.2波浪影响的计算

4.3计算分析

4.3.1大区域深水计算分析

4.3.2中等区域等水深计算分析

4.3.3小区域变水深计算分析

4.4波浪破碎对流场垂向结构影响的分析

4.5小结

5渤海计算分析

5.1渤海潮流计算

5.2渤海风浪计算

5.3波浪影响分析

5.4小结

6结论

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢