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波浪掀沙是近岸泥沙输运的关键动力学过程,是河口海岸工程中的重要科学问题。过去的研究工作主要是基于线性简谐波,并将其视为准定常流动来研究波浪掀沙过程。然而,实际近岸水波往往是不规则的,或因峰谷幅值不等而具有一定的非对称度,或因加速与减速时段不等而具有一定的前倾度,或二者兼而有之。这类近岸水波显然有别于简谐波,其非定常过程对泥沙输运的影响必然较线性简谐波情形复杂,所以研究近岸非简谐波输沙的非定常特性十分必要。 首先,采用基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟方法获得了非简谐波(椭余波和前倾波)作用下的瞬时流场信息,特别是底部切应力场信息,并将其与相应的实验值和理论值进行对比验证,吻合较好。揭示了底部切应力与外流速度相位差随雷诺数、非对称度/前倾度的变化规律。 其次,根据基于底部切应力的输沙模型和输沙实验数据,发展了考虑加速度效应的输沙率计算方法,并分析了非对称度和前倾度这两个参量对输沙率的影响。结果表明,一个波周期内的净输沙率随着非对称度和前倾度的增大而增加,但对非对称度的依赖更为明显。 在此基础上,为进一步揭示近岸水波输沙的非定常特性,着重考虑了波周期内不同阶段输沙率及其随床面切应力与外流速度相位差以及加速度效应变化的规律。结果表明,加速与减速阶段输沙率随着前倾度和非对称度的增加而减小,且加速阶段的输沙率减小更快。 在不考虑一个周期内的输沙细节的情况下,往往也可以用波浪挟沙力的概念来描述泥沙运动。根据含沙量和挟沙力的关系,进一步给出了由含沙量积分平均来计算挟沙力的方法,并与窦国仁公式相比较。比较了椭余波和线性波的挟沙力,讨论了雷诺数和非对称度对挟沙力的影响。结果发现,相同波参数条件下,椭余波的挟沙力比线性波的大且两者差值随非对称度增加而增大;且两种方法计算的挟沙力随雷诺数的变化趋势相同。