缓坡海岸沿岸流和边界控制裂流系统特征研究

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海岸波浪破碎和其引起的波生流(沿岸流和裂流等近岸环流)是引起海岸泥沙输移、海岸变形和污染物扩散的主要动力因素,因此研究波浪破碎和波生流运动规律具有重要的理论意义和应用价值。本研究建立了缓坡海岸上的波浪多次破碎情况波能耗散的计算模型,给出了波浪多次破碎引起的沿岸流剖面的特征,并研究了沙坝海岸上的边界(丁坝)控制裂流系统的流动特征。研究主要采用模型实验方法,同时也采用了数值模拟和理论分析。缓坡海岸是一种常见的海岸地貌形态,其海底坡度通常为1:100到1:1000,甚至更缓。波浪多次破碎和波浪恢复是平缓坡海岸上典型的波浪运动现象,但现有的波高和沿岸流计算模型中通常没有考虑这一现象。本研究建立了新的波能耗散表达式,并通过实验观察给出了波浪多次破碎和波浪恢复过程的判断依据,从而建立了波高、辐射应力和沿岸流的新的计算模型。新建立的波能耗散表达式在波浪恢复区的值很小,因此能描述这一区域的波浪恢复现象。通过将计算结果与不同坡度的平坡和沙坝海岸上的波高和沿岸流实验结果比较对模型进行了相应的验证。新模型对于发生和不发生波浪恢复的情况都有很好的适用性。新模型重现了实验中在1:100坡平坡海岸上观察到的波浪两次破碎引起的波高变化和M型沿岸流剖面特征,并计算了更缓坡度的海岸上的波浪多次破碎波高变化和其引起的多峰型及窄峰链型沿岸流剖面。对于缓坡海岸上的M型和多峰型沿岸流剖面,本研究也给出了它们对应的沿岸流线性和非线性不稳定特征。在砂质海岸上经常存在沙坝以及海岸突出结构如丁坝或岬角等,波浪遇到丁坝或岬角会反射导致波高沿岸不均匀,而沿岸流动也会受到阻隔,这些都会驱动裂流的产生,因此边界(丁坝或岬角)控制的裂流系统也是裂流研究的重要课题。本研究通过物理模型实验重点研究了沙坝海岸上边界控制的裂流系统,同时也包括了沙坝沟槽和交叉波浪的影响。利用测量的数据对裂流系统中各裂流单元进行了流量守恒分析,发现对于边界控制的裂流系统还存在着裂流单元间侧向流对裂流流量的贡献。利用数值模拟分析了裂流系统的单元间侧向流和坝顶环流的产生原因。同时也给出了波浪反射区外沿岸流与反射区内裂流系统的相互影响。通过考虑有裂流槽和没有裂流槽沙坝海岸情况,研究了裂流槽对以上流动特征的影响。在以上研究裂流单元流量平衡中,需要确定Stokes质量输移流和水滚流量的贡献,但对这里的破碎波浪情况二者都没有适合的计算方法,所以本研究通过进行水槽内的物理模型实验给出了二者的计算公式。对于破碎区外的Stokes质量输移流,本研究也分析了其对物质浓度输移扩散的贡献。
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