风与浪相互作用特征量的研究

摘要

本文通过在实验室风浪槽中观测风浪和风浪波面上方风速廓线，实验研究粗糙度与风浪特征量关系、风浪波面上方风速结构以及风浪特征量的无因次化问题。 近几年的大量观测研究表明，随着风浪波龄的增大，粗糙度减小。但是粗糙度随波龄变化的观测结果存在差异，且部分数据点散落程度较大。实验观测目前是探索风与浪相互作用机制的重要方法，在实验室风浪槽中进行实验，可控制实验条件，且风速较之海上稳定，无涌浪和地形的影响。本文通过分析实验室风浪观测结果，研究粗糙度与风浪特征量之间的关系研究粗糙度与风浪特征量的关系，发现随着谱宽度的增大，粗糙度呈现增大趋势。在窄谱时，粗糙度随谱宽度的增加变化不明显，当波陡降低，粗糙度降低；但在宽谱时，当谱宽度增加时，粗糙度呈现明显的增大趋势，所以在谱宽度的影响下，即使波陡降低，粗糙度仍可增大。这一结果表明，波陡不足以完全决定粗糙度。当风浪波龄增加，粗糙度呈下降趋势，但由于谱宽度对粗糙度的影响，当波龄增加，部分波浪可有较大的粗糙度。对目前粗糙度与波龄关系的观测结果中部分数据点的散落问题提出了一种解释。 波面上方的风速分布的研究大都是利用机械造波，把波面视为简单波动，将风速分为平均速度、波生速度、湍流速度的方法进行。但真实的风浪波面并非简单波动，使用上述处理方法不能反映真实风浪上方风场结构。本文通过分析实验室风浪观测结果，从风浪波面上方风速结构方面研究风与浪相互作用，发现风速起伏程度随着风速测点高度的增大而减小，说明距离波面越近，风速受波面的影响越大，随着离波面距离的增大，风速受波面的影响逐渐减小；风速混乱程度随着波陡的增大而增大，风速混乱程度随着粗糙度的增大而增大，并由风浪成长理论对该现象提出了一种解释；由实验结果得到风浪波面上方风速分布，发现其与正态分布基本符合，略微右偏，由波面特征对风速分布曲线的右偏现象提出了一种解释。 本文由观测到的风速廓线得到摩擦风速、10米高度处风速以及其它固定高度处风速，研究各种风速对风浪特征量无因次化结果，比较各种风速无因次化结果中数据点的散落程度，发现使用摩擦风速无因次化结果中数据点的散落程度明显小于其它风速无因次化结果中的数据点散落程度。这表明摩擦风速是概括风浪成长的重要参量，在风与浪的相互作用中占有重要地位。

目录

文摘

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第一章前言

第二章粗糙度和无因次化风速研究背景

第三章实验研究粗糙度与风浪特征量的关系

第四章风浪波面上方风速分布

第五章无因次化风速研究

第六章结论

参考文献

致谢