波浪作用下底泥特性及其质量输移研究

摘要

河口海岸黏性泥沙的流变特性、运动特性及其与波浪之间的相互作用对于预测和解决岸滩冲刷、淤积以及岸线变形起重要作用，因而具有重要的研究价值和广泛的应用价值。本论文将天津大港黏性粉沙质淤泥作为研究对象，通过试验和理论研究，系统的探索黏性泥沙的流变特性和运动规律。此外，本论文就波浪与底泥之间的相互作用建立两层数学模型，对幂律流底泥的质量输移速度进行了理论研究。
　　为了解黏性泥沙的流变特性，对不同密度的泥样进行静态流变试验。根据试验结果，讨论不同密度黏性泥流的剪切应力随剪切率的变化关系;分别采用幂律流模型和Bingham塑性体模型对流变曲线进行拟合，得到不同密度黏性泥流对应的流变参数，继而分析流变参数与密度之间的关系。此外，为了解细颗粒泥沙的絮凝特性，对四组不同浓度的泥浆进行静水沉降试验，观察黏性泥沙沉降过程，并讨论黏性泥沙浓度对静水沉降速度的影响。
　　为了了解波浪作用下黏性泥沙的起动规律，配置不同密度黏性泥流，进行表面波浪作用下的黏性泥沙起动试验。记录黏性泥沙起动时的临界波高，继而计算不同密度黏性泥沙的临界起动速度和临界起动切应力;分别分析黏性泥沙的临界起动速度和临界起动切应力与黏性泥沙密度之间的关系，并拟合它们之间的关系式，结果证明波浪作用下黏性泥沙的起动规律符合延伸希尔兹曲线。结合流变试验结果，建立临界起动切应力与宾汉屈服应力之间的关系。此外，将起动试验得到的临界起动切应力与文献中的结果进行对比验证，发现结果基本一致。
　　为了研究波浪作用下底泥的质量输移速度，本文基于Euler坐标系统，建立波浪与底泥相互作用的两层理论模型:假设上层为水体，下层底泥由幂律流模型描述;波浪运动由作用在自由水表面上的周期性压力荷载驱动。基于浅水波和小变形假设，采用一种摄动分析法将问题展开到二阶，以便得到平均Euler速度。对于得到的一阶和二阶问题，分别通过数值迭代法和改进的五对角追赶法进行求解。根据数值计算结果，分析下层幂律流流动指数对二维流场、界面波高以及底泥质量输移速度的影响。此外，当自由水表面周期性压力发生改变时，分析二维流场、界面波高和底泥质量输移速度的变化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 河口黏性泥沙的运动特性

1．3 河口黏性泥沙的群体特性

1．4 波浪与黏性泥沙相互作用

1．4．1 河口黏性泥沙的流变特性

1．4．2 流变模型

1．4．3 波浪作用下黏性泥沙的质量输移

1．5 本文的主要工作

第二章 河口黏性泥沙特性

2．1 概述

2．2 流变试验

2．2．1 试验泥样

2．2．2 试验设备

2．2．3 试验条件

2．3 流变试验结果分析

2．3．1 剪切应力与剪切速率的关系

2．3．2 黏滞系数与剪切速率的关系

2．4 确定流变参数

2．5 黏性泥沙的静水沉降试验

2．5．1 试验设备与方法

2．5．2 沉降过程

2．6 静水沉降试验结果分析

2．7 本章小结

第三章 行进波作用下黏性泥沙临界起动试验研究

3．1 概述

3．2 行进波作用下黏性泥沙起动试验

3．2．1 试验条件

3．2．2 试验现象

3．3 试验结果分析

3．3．1 黏性泥沙起动公式

3．3．2 不同密度黏性泥沙起动临界速度

3．3．3 不同密度黏性泥沙起动临界切应力

3．4 试验结果验证

3．5 本章小结

第四章 波浪作用下底泥质量输移理论研究

4．1 概述

4．2 模型选取

4．3 数学方程

4．3．1 基本方程

4．3．2 边界条件

4．3．3 无量纲化

4．4 一阶问题

4．4．1 运动方程

4．4．2 边界条件

4．4．3 方程求解

4．5 二阶问题

4．5．1 运动方程

4．5．2 边界条件

4．5．3 方程求解

4．6 质量输移

4．7 数值求解

4．7．1 离散格式

4．7．2 一阶问题

4．7．3 二阶问题

4．8 结果分析

4．8．1 一阶流场分析

4．8．2 波高分析

4．8．3 质量输移速度

4．9 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢