【摘 要】
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沙质海岸海床在波浪作用下床面经常呈现沙纹形态,显著增加床面阻力,使波浪底部边界层流动产生明显改变,因此深入研究沙纹床面的波浪边界层运动特性和沙纹床面摩阻特性,对深入理解沙纹床面泥沙运动规律具有十分重要的意义。采用三维格子玻尔兹曼方法,并结合大涡模拟模型,对沙纹床面振荡流边界层运动进行了模拟,系统研究了各类沙纹边界层流动特性、涡结构时空演变过程和床面摩阻特征。具体的研究内容和结论如下:（1）将大涡模
【基金项目】
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国家自然科学基金（51179122）；
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沙质海岸海床在波浪作用下床面经常呈现沙纹形态,显著增加床面阻力,使波浪底部边界层流动产生明显改变,因此深入研究沙纹床面的波浪边界层运动特性和沙纹床面摩阻特性,对深入理解沙纹床面泥沙运动规律具有十分重要的意义。采用三维格子玻尔兹曼方法,并结合大涡模拟模型,对沙纹床面振荡流边界层运动进行了模拟,系统研究了各类沙纹边界层流动特性、涡结构时空演变过程和床面摩阻特征。具体的研究内容和结论如下:（1）将大涡模拟的Smagorinsky模型和WALE模型与三维格子玻尔兹曼相结合,建立振荡流边界层数值模型,分别对粗糙平床和沙纹床面振荡流边界层流动进行模拟,并和已有实验结果进行比较,验证了模型在振荡流边界层水动力特性和床面受力等问题研究中的适用性。（2）利用建立的数值模型对随机排列球形颗粒构成的粗糙床面振荡流边界层流动进行模拟,8种不同相对粗糙度算例模拟结果表明,理论床面位于颗粒顶端以下0.19 D处,等效粗糙高度ks结果平均值为2.81 D,摩阻流速与自由流流速之间的相位差在19.8°～35.4°之间。利用算例模拟结果拟合得到了粗糙床面适用的波浪摩阻系数fw与相对粗糙度a/ks的关系式。对椭圆余弦波波作用下的粗糙床面振荡流边界层流动进行了模拟比较。理论床面至计算底边界的距离和等效粗糙高度较线性波情况相差不大。椭圆余弦波作用下波峰半周期内的摩阻流速幅值大于波谷半周期内的幅值,理论床面至计算底边界的距离和等效粗糙高度较线性波情况均基本一致,随着波浪非线性增强,波浪摩阻系数有所减小,摩阻流速提前自由流的相位有减小的趋势,边界层厚度略有增大。（3）分别针对轨道沙纹、亚轨道沙纹和非轨道沙纹三类平衡沙纹床面的振荡流边界层进行了模拟,结果表明:轨道沙纹各位置边界层厚度分布不均,顶峰处边界层薄,谷底处边界层厚;非轨道沙纹的边界层厚度超过沙纹高度4倍,且厚度沿沙纹各处基本一致,沙纹完全淹没于边界层内;亚轨道沙纹的边界层处在轨道沙纹和非轨道沙纹间的过渡状态。三维LB模拟得到的三类沙纹振荡流边界层流场结果说明了Clifton提出沙纹分类方法的合理性。（4）模拟结果揭示了沙纹附近涡旋结构发展过程。轨道沙纹半周期中在顶峰背后两次出现尺度较大的涡旋结构,分别为横向滚动涡和由小尺度横向涡、纵向涡组成的涡旋结构,解释了前人悬沙浓度测量结果中存在两个峰值的现象。（5）随着沙纹陡度减小,形状摩阻系数和肤面摩阻系数的幅值均减小。轨道沙纹床面切应力中形状摩阻和肤面摩阻贡献的比例接近常值6.8。亚轨道沙纹和非轨道沙纹形状摩阻的贡献逐渐减小,η/λ≤0.07后,形状摩阻作用基本消失。（6）通过建立的摩阻系数与相对粗糙度的关系式计算出沙纹等效粗糙高度ks,结果表明ks与沙纹高度η和陡度η/λ均相关,并提出了平衡沙纹适用的ks表达式为ks=14.9η~2/λ。
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