基于溃坝实验的涌波沿斜坡爬高过程的水动力特性研究

摘要

涌波按照波面形态可分为非破碎涌波和破碎涌波。非破碎涌波(undular bore)由一系列相邻的短波组成，波面光滑且无因破碎而产生的白色浪花;破碎涌波(breaking bore)的波前水体翻滚有白色浪花且做剧烈、无规则紊动，波后区域的水位接近水平。涌波在近岸传播的水动力过程与涌潮和海啸相似，因此探究这两种涌波现象的动力机理，对进一步理解涌潮和海啸，进而减少其对沿海地区的破坏有重要意义。
　　本文利用水平溃坝水槽和坡度为1∶7.5的斜坡开展物理实验，通过设置不同上下游水位形成具有不同推进速度的破碎涌波和非破碎涌波，并特别设置了下游无水的干床情况进行比较分析。本研究利用波高仪、电磁流速仪、高速相机对包括波高、波形、推进速度、上爬历时、最大爬坡高度、波前的瞬时爬坡速度和位置在内的涌波水动力参数以及爬坡特性进行了探究。研究表明非破碎涌波具有孤立波的水动力特性和爬坡特征。湿床情况下破碎涌波的推进速度符合既有理论推算，且证实了其从坡脚到最大爬坡高度处动能和重力势能的相互转换满足能量守恒。
　　相同初始水头条件下，湿床情况下入射破碎涌波在岸线处的波前水深明显大于干床情况下入射破碎涌波在坡脚处的波前水深。对比湿床和干床情况下的破碎涌波爬坡实验，两者的最大爬坡高度和初始水头差间都呈线性关系且斜率相同。湿床情况下观察到爬坡过程中有两个连续的破碎涌波，而干床情况下由于显著的摩阻效应则观察到爬坡过程中有三个连续的破碎涌波。在相同初始水头条件下，对比不同下游水深的湿床条件结果，干床下的最大爬坡高度小但上爬历时长。在沿斜坡上爬过程中，湿床情况下破碎涌波的波前速度变化呈两个阶段:初始的加速阶段和随后的减速阶段。加速阶段的产生是由于下游湿床情况下，初始入射破碎涌波水深梯度大，导致静压梯度向岸造成的;减速阶段是因为爬坡后期海向的重力和底部摩擦力起主要作用。由于入射波前水深较小，干床情况下的破碎涌波上爬过程不存在加速阶段。

目录

声明

致谢

摘要

附图

表格

物理量

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 理论分析

1．2．2 数值模拟

1．2．3 实验研究

1．3 研究内容

2 溃坝物理模型实验

2．1 实验设备

2．1．1 实验水槽

2．1．2 开门设备

2．1．3 测量仪器

2．2 实验可重复性

2．3 试探性实验

2．4 实验设置

3 非破碎涌波的水动力及爬坡特征

3．1 波形和推进速度分析

3．2 爬坡破碎形态分析

3．3 沿斜坡的最大爬高分析

3．4 本章小结

4 破碎涌波的水动力及爬坡特征

4．1 下游湿床情况下的破碎涌波分析

4．1．1 正向波前运动速度分析

4．1．2 最大爬坡高度对比与分析

4．1．3 爬坡前后的能量变化

4．2 下游干床情况下的破碎涌波分析

4．2．1 最大爬坡高度分析

4．2．2 爬坡形态分析

4．3 干湿床情况下破碎涌波的对比分析

4．3．1 爬坡过程对比分析

4．3．2 最大爬坡高度对比分析

4．3．3 上爬时间分析

4．3．4 实时爬坡速度比较

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历