缓坡沿岸流不稳定性特征研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 17次 | 上传用户:zhou75610141
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目前对沿岸流的实验研究主要针对现场实验和较陡坡实验情况,为了研究缓坡情况下的沿岸流是否存在不同于陡坡情况的特征,本文通过物理模型实验和数值模拟研究了缓坡情况下的平均沿岸流和沿岸流不稳定运动,得到了缓坡地形条件下不同于陡坡情况下的波高、波浪增减水和平均沿岸流速度分布特征以及其对应的沿岸流不稳定运动特征。本文针对1:100和1:40平坡海岸进行了不同波高和不同周期规则波和不规则波所产生的沿岸流的物理模型实验,讨论了所采用的被动式水流循环系统所引起的沿岸流的沿岸均匀性,给出了缓坡情况下波高、波浪增减水和平均沿岸流速度分布特征:缓坡情况下,波浪破碎后,波高呈下凹趋势,坡度越缓,波高下凹的趋势越明显;波浪增减水向岸增长趋势逐渐变缓,坡度越缓,波浪增减水向岸增长趋势越缓;1:100坡度平均沿岸流海岸一侧分布呈下凹趋势而相应的1:40坡度呈上凸的趋势。为了讨论这一速度分布特征所产生的机理,本研究采用平均沿岸流数值模型进行了平均沿岸流数值模拟,结果表明影响这些速度剖面特征的主要因素为破波带内波高分布和水底摩擦力表达式的选取,对后者更为敏感。1:100坡度海岸沿岸流速度剖面可由水流型水底摩擦力来计算出,而1:40坡度海岸沿岸流速度剖面可由波浪型水底摩擦力来计算出。为了显示沿岸流不稳定所引起的水流速度波动特征,模型实验中采用了在流场中注入连续输入的墨水来显示速度的波动,并通过CCD记录了显示的结果。通过图像处理,给出了对应不同波况的墨水输移特征以及它们所显示的沿岸流不稳定所引起的水流中涡运动的特征。沿岸流不稳定的特征周期通过最大熵谱估计分析确定,特征波长可由墨水的波动波长来显示。采用沿岸流线性不稳定分析给出了1:100和1:40坡度下不同的平均速度分布所导致的不同的不稳定增长模式。1:100坡度多数波况沿岸流不稳定存在前剪切和后剪切两个不稳定模式,而1:40坡度仅存在后剪切不稳定模式。不稳定分析所给出的不稳定波动周期和波长与实验结果进行了对比。通过数值求解水平二维近岸环方程,研究了实验中1:100和1:40.海岸坡度各波况所对应的沿岸流非线性不稳定演化的特征,给出了缓坡情况下坡度、波高和不规则波对沿岸流不稳定的影响以及不稳定作用下的墨水扩散,特别讨论了这些因素对由沿岸流不稳定所引起的涡运动的影响。通过逐次近似的方法给出了波浪场(Stokes质量输移流和一阶波浪水质点速度二者叠加)中离散系数的解析表达式,并首次提出了二阶离散系数。讨论了Stokes质量输移流和一阶波浪水质点速度对波浪场中离散系数的贡献,讨论了各部分离散系数的物理意义及量值大小。
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