破碎波作用下的粉沙悬沙浓度垂向分布计算方法的探讨

摘要

波浪破碎是近岸悬沙的主要动力,因此研究波浪破碎作用下的悬沙浓度垂向分布对于预测航道淤积有重大意义. 本文对破碎波作用下的粉沙质海岸粉沙悬沙浓度进行实验研究并进行分析.本文所进行的主要工作如下:首先,通过对驴驹河粉沙和黄骅粉沙的水槽实验测量了破碎波作用下不同断面处的悬沙浓度垂向分布；并采用ADV测量了不同断面不同深度处的速度时间过程；对实验现象和结果进行了初步分析,得出: (1)在波浪破碎点附近,上部水体悬沙浓度与破碎后基本相同,不同的是波浪破碎前附近底部浓度值比破碎后大很多,从而断面平均悬沙浓度比破碎后大,因此在计算泥沙输移时,应对破碎前附近悬沙浓度垂向分布更加注重； (2)在卷破波作用下,距破碎点距离的长短对悬沙浓度的影响较大(与崩破波相比),在波浪破碎后当距破碎点较短时,悬沙浓度较大；反之,悬沙浓度较小； (3)在破碎带内区,驴驹河粉沙和黄骅粉沙悬沙浓度垂向分布均接近直线,且斜率非常大； (4)在波浪破碎前近底有高浓度含沙水体层,而在波浪破碎后高浓度含沙水体层消失； (5)在波浪破碎情况下,整个断面的颗粒级配图中dso较为相近；而在波浪不破碎情况下,在整个断面的颗粒级配图中,d<,50>在底部较大,随着距地面距离的增大,d<,50>不断减小. 其次,对采用ADV测量的速度时间过程进行傅立叶分解,采用George等的惯性耗散方法进行分析,得到了紊动耗散系数和紊动强度.对沿程紊动强度进行分析后得出,分布形式与断面平均悬沙浓度沿程分布规律相同,在破碎点附近,紊动强度达到最大,在破碎点前,紊动强度沿程增大；在破碎点后,紊动强度沿程减小；然后,从实验数据出发,进行了一系列的分析,具体如下: (1)根据实测浓度入手,应用垂向一维悬沙扩散方程,近似推求得到驴驹河粉沙泥沙扩散系数； (2)从实验得出的断面的颗粒级配图,通过沉速公式给出了波浪不破碎情况下的泥沙沉速垂向分布形式； (3)根据Kolmogorov-Prandtl公式,并假定泥沙扩散系数等于动量扩散系数,对泥沙扩散系数和紊动强度的关系进行分析,得出了包含波浪对流影响的紊动尺度；再通过Kolmogorov-Prandtl公式,得出了沿程悬沙扩散系数垂向分布； (4)根据紊动尺度的选择,建立了波浪不破碎情况下的泥沙扩散系数模型； (5)应用波浪不破碎情况下泥沙沉速分布形式和泥沙扩散模型代入垂向一维泥沙扩散方程计算实验波况下的悬沙浓度垂向分布,计算结果与实测浓度较为相近； (6)通过引入破碎波浪表面悬沙扩散系数表达式,对Ogston的泥沙扩散系数模型进行修正,并基于波浪不破碎情况下的泥沙扩散系数模型,分别建立了破碎带外区和破碎带内区泥沙扩散系数模型； (7)用建立的泥沙扩散系数模型代入垂向一维泥沙扩散模型,计算实测波况下的悬沙浓度垂向分布,计算结果与实测浓度较为相近； 最后,对近底高浓度含沙水体层提出了新的定义,根据实测浓度插值计算近底高浓度含沙层厚度,并与边界层厚度进行了对比,得出近底高浓度含沙层厚度与边界层厚度的关系.并基于此,提出了参考点高度和浓度的计算方法,即参考点的高度为近底高浓度含沙水体层厚度,参考点浓度为一定值,并应用此方法对实测波况进行了悬沙浓度垂向分布计算,计算结果与实测浓度较好.

目录

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第一章绪论

1.1研究的目的和意义

1.2粉沙质海岸泥沙特性

1.3破碎带水动力简介

1.3.1破碎带外区

1.3.2破碎带内区

1.3.3紊动

1.4研究对象及运动机理的研究

1.4.1波浪不破碎作用下泥沙运动机理的研究

1.4.2波浪破碎作用下泥沙运动机理的研究

1.5悬移质浓度垂线分布综述

1.5.1波浪不破碎作用下悬移质浓度垂线分布

1.5.2波浪破碎作用下悬移质浓度垂线分布

1.6本研究的主要内容

第二章实验研究

2.1实验的基本条件

2.2实验内容和实验过程

2.3实验结果及分析

2.3.1实验结果说明及沿程分布图

2.3.2崩破波浪作用下悬沙浓度垂向分布

2.3.3卷破波浪作用下悬沙浓度垂向分布

2.3.4波浪破碎后第一断面的悬沙浓度垂向分布

2.3.5破碎内区悬沙浓度垂向分布

2.3.6底部高浓度含沙层

2.3.7断面颗粒级配垂向分布图

第三章紊动强度和动量扩散系数的确定

3.1波浪水槽数据

3.2数据分析

3.2.1噪音处理

3.2.2波数谱密度的计算

3.2.3耗散系数和紊动强度的确定

3.2.4动量扩散系数的确定

3.3紊动强度

第四章波浪作用下悬沙浓度垂向分布的计算

4.1泥沙输运模型

4.2泥沙沉降速度ωs的确定

4.2.1沉速的计算

4.2.2垂线沉速分布

4.3泥沙扩散系数的确定

4.4摩阻流速和边界层厚度的确定

4.4.1边界层厚度的计算

4.4.2摩阻流速的确定

4.5波浪不破碎情况下悬沙扩散系数模型的建立

4.5.1 Schimit数

4.5.2紊动尺度的选择

4.5.3紊动强度(√TKE)与κU*的关系

4.5.4模型的建立

4.5.5计算效果

4.6波浪破碎情况下紊动尺度的选择

4.7波浪破碎情况下悬沙扩散系数模型的建立

4.7.1半抛物线分布

4.7.2 Steetzel形式分布

4.7.3 Ogston形式分布

4.7.4悬沙扩散系数模型的建立

4.7.5计算结果

4.8理想悬沙扩散系数模型

第五章底部高浓度含沙水体层和浓度参考点的研究

5.1底部高浓度的定义

5.2建立底部高浓度与边界层的关系

5.3参考点高度和浓度的选取

5.4计算结果

第六章结论和展望

6.1主要结论

6.2研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢