第三章_近岸波浪流

1、第一節(jié)、概述第二節(jié)、近岸流控制方程第三節(jié)、波浪增水和減水第四節(jié)、平直岸灘的沿岸流海流潮流風(fēng)吹流波導(dǎo)流 本章討論的近岸流是指與波浪作用有關(guān)的波周期時(shí)均流. 近岸區(qū)流動(dòng)第一節(jié) 概 述近岸流海岸流近岸流向岸流沿岸流離岸流(裂流)近岸流研究目的:預(yù)測(cè)近岸流引起的泥沙搬運(yùn)、岸灘演變和污染物搬運(yùn)過程。對(duì)砂質(zhì)海岸岸線變化起主導(dǎo)作用的是破碎波引起的沿岸流和與之相關(guān)的離岸流和向岸流。近岸流的凈流速不大，但其輸送的是由波浪振蕩流攪動(dòng)后的泥沙。 波浪振蕩流掀沙, 近岸流輸沙近岸泥沙輸移模式:uUu 0 u222uUu 幅射應(yīng)力定義為波浪運(yùn)動(dòng)引起的波周期時(shí)均剩余動(dòng)量流。輻射應(yīng)力理論澄清了沿岸流形成的力學(xué)機(jī)理，在波浪增

2、減水和近岸流系研究中得到廣泛應(yīng)用。本章首先導(dǎo)出基于輻射應(yīng)力理論的近岸流控制方程，然后討論近岸區(qū)水面變化和近岸流場(chǎng)。 uUu 0 u222uUu 第二節(jié) 近岸流控制方程一、近岸流質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程 將流體力學(xué)質(zhì)量守恒方程和二個(gè)水平動(dòng)量方程沿水深積分進(jìn)行波周期平均，得到描述近岸時(shí)均流場(chǎng)的平面二維近岸流方程.沿水深積分進(jìn)行波周期平均，流體力學(xué)方程(關(guān)于u,v)求解近岸時(shí)均流場(chǎng)U,V平面二維近岸流方程(關(guān)于U,V)uUu 0 uvVv 0 v222uUu vuUVuv Uu Vv 含有與 的相關(guān)項(xiàng)(幅射應(yīng)力)2u 0)()( hVyhUxt)()(2)()()(bxxyxxxyxxxTyTxxgDSU

3、VDySDUxUDt )()(2)()()(byyyyxyyyxyTyTxygDSDVySUVDxVDt hD 求解近岸流場(chǎng)問題中，近岸各點(diǎn)水深和波浪條件包括波高、波向角及周期應(yīng)預(yù)先給定，以計(jì)算輻射應(yīng)力項(xiàng)。深水波要素淺水變形、折射、繞射、反射理論、波浪帶內(nèi)能量耗散模型近岸區(qū)波浪要素輻射應(yīng)力作為近岸流場(chǎng)計(jì)算的輸入條件作為近岸流場(chǎng)計(jì)算的輸入條件 方程中時(shí)間變化項(xiàng)的時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于波周期，它表示的是波浪條件(浪高、周期等)隨時(shí)間變化引起的近岸流場(chǎng)的變化過程。在實(shí)際應(yīng)用中，可引入一些簡(jiǎn)化假定。假定流浪條件是穩(wěn)定的，因而近岸流也是穩(wěn)定的0 t自由表面上沒有平均剪切應(yīng)力)()( yx 0)()( hVyhU

4、x)(2)()()()(bxyxxxyxxxTyTxSySxxgDUVDyDUx )(2)()()()(byyyxyyyxyTyTxSySxygDDVyUVDx 床面切應(yīng)力 紊流應(yīng)力 輻射應(yīng)力梯度 水面坡降 波浪輻射應(yīng)力梯度是驅(qū)動(dòng)時(shí)均流動(dòng)和時(shí)均水面變化的主導(dǎo)作用力。 二、床面阻力項(xiàng) 平均流和波浪質(zhì)點(diǎn)速度共存時(shí)，時(shí)均床面阻力 VVCf sin)cos(cos)cos(tuVtuUvVuUVmm假定入射角很小，即sin0，cos1，uv 純沿岸流時(shí)U，總的速度近似為 VtuVm)cos( 假定沿岸流速度運(yùn)小于波浪質(zhì)點(diǎn)速度，沿岸方向(y向)的床面阻力 VuCmfby 2)( 三、側(cè)向紊動(dòng)摻混項(xiàng) 作用

5、在水柱體側(cè)面上的紊動(dòng)應(yīng)力又叫側(cè)向混合應(yīng)力，主要是由波浪破碎產(chǎn)生的強(qiáng)烈紊動(dòng)在相鄰水體間產(chǎn)生動(dòng)量交換引起的。紊動(dòng)動(dòng)量的交換使流速分布趨于均勻光滑，引起流速再分布。 根據(jù)紊流理論，動(dòng)量交換通?？杀硎緸樗俣忍荻群蛣?dòng)量交換系數(shù)(或紊動(dòng)粘滯系數(shù))的乘積 第三節(jié) 波浪增水和減水一、 一維波浪增減水方程 波浪傳播到淺水區(qū)，由于淺水變形和波浪破碎引起的波高變化， 幅射應(yīng)力的沿程變化， 時(shí)均水面的變化. 增水和減水是指波動(dòng)水面時(shí)均值相對(duì)于靜止水面的偏離值。 考慮波浪正向入射，平直岸線、等深線與岸線平行的一維情況，這時(shí)時(shí)均流速為零，相關(guān)的底摩阻和紊動(dòng)應(yīng)力消失，x方向動(dòng)量方程式簡(jiǎn)化為 dxdhgSdxdxx )( 波

6、浪增減水方程表示輻射應(yīng)力梯度和水面坡降力之間的靜態(tài)平衡，幅射應(yīng)力的變化會(huì)引起時(shí)均水面的變化。 時(shí)均流速為零，底摩阻和紊動(dòng)應(yīng)力消失，二、破波帶外的減水和破碎帶內(nèi)增水 在破波帶外的淺水區(qū)，波高隨水深減小而增大，在破波帶外的淺水區(qū)，波高隨水深減小而增大，因而幅射應(yīng)力也沿程增大因而幅射應(yīng)力也沿程增大 dxdSghdxdxx 1 dxdhgSdxdxx )( hh 0 dxdSxx 在深水中波浪增減水消失在深水中波浪增減水消失, , , , 故故 在靜水面以在靜水面以下下 ，即發(fā)生減水現(xiàn)象。，即發(fā)生減水現(xiàn)象。 0 dxd 0 khkH2sinh812 減水公式減水公式 hH2161 淺水近似淺水近似 在

7、破波點(diǎn)，減水值最大在破波點(diǎn)，減水值最大 bbbbbbHhH2011611612 破波帶內(nèi)破波帶內(nèi)，波浪破碎發(fā)生能量損失，幅射應(yīng)力沿程減，波浪破碎發(fā)生能量損失，幅射應(yīng)力沿程減小，引起增水現(xiàn)象。小，引起增水現(xiàn)象。)( hHdxdhgSdxdxx )( 22)(16323 hgESxxdxdhKdxd 23811 K tgdxdh Ktgdxd cKh )()(xhhKxbb bbbhhxx ,破碎后的波高時(shí)均水面與岸坡相交處，波浪增水達(dá)到最大值 bH41max 第四節(jié) 平直岸灘的沿岸流 一、概述 波浪斜向入射時(shí)，沿岸方向輻射應(yīng)力切向分量在通過破波帶時(shí)的變化并不能由平均水面坡降力所平衡。在沿岸方向，

8、需要有底部剪切應(yīng)力來平衡輻應(yīng)力梯度。而時(shí)均剪切應(yīng)力只有在發(fā)生時(shí)均流動(dòng)時(shí)才存在。 一般認(rèn)為沿岸流大小主要取決于入射角、破碎波高和海灘坡度。布朗(1969)和朗吉特希金斯(1970)應(yīng)用輻射應(yīng)力理論，得到了沿岸流速度分布公式。 二、不考慮側(cè)向摻混的斜向入射波引起的沿岸流簡(jiǎn)化假定 ：穩(wěn)定波，斜向入射且入射角很小，沿岸方向穩(wěn)定波，斜向入射且入射角很小，沿岸方向均勻；無限長(zhǎng)平直等深線，底坡均勻。均勻；無限長(zhǎng)平直等深線，底坡均勻。 忽略側(cè)向混合忽略側(cè)向混合. .0 y 0 hUx 連續(xù)方程 0)()( hVyhUx0 UV=V(x) )(2)()()()(bxyxxxyxxxTyTxSySxxgDUVDy

9、DUx )(2)()()()(byyyxyyyxyTyTxSySxygDDVyUVDx 床面切應(yīng)力 紊流應(yīng)力 輻射應(yīng)力梯度 水面坡降 dxdhgSdxdxx )( 0 y0 UV=V(x) 波浪增減水方程 向岸方向向岸方向(x(x方向方向) ) 0)( byxydxdS 沿岸方向沿岸方向(y(y方向方向) ) 沿岸流方程(不考慮側(cè)向摻混) ) 沿岸流的形成原因是：沿岸方向輻射應(yīng)力的切向分量Sxy在向岸方向(x方向)的變化。 假定沿岸流速度遠(yuǎn)小于波浪水質(zhì)點(diǎn)軌跡速度，入射角很小，02 VuCdxdSmfxy 破波帶外的情況破波帶外的情況 )sin)(cos(cossincEcnEcnSxy 0 d

10、xdSxy破波帶外，沿岸流驅(qū)動(dòng)力為零，因而破波帶外，沿岸流驅(qū)動(dòng)力為零，因而V=0 V=0 沒有能量損失時(shí)，時(shí)均流驅(qū)動(dòng)力為零。這個(gè)結(jié)論可沒有能量損失時(shí)，時(shí)均流驅(qū)動(dòng)力為零。這個(gè)結(jié)論可推廣到非均勻地形的情況。推廣到非均勻地形的情況。DhH )(gDc 在破波帶內(nèi)，在破波帶內(nèi)，波浪破碎引起能量損失，波高減小波浪破碎引起能量損失，波高減小 ctggDdxdSxy sin)(165232 gDu 21max cgDCtgVf sin165 sin85mfuCtgV 02 VuCdxdSmfxy 對(duì)于均勻底坡，沿岸流對(duì)于均勻底坡，沿岸流V V與當(dāng)?shù)貢r(shí)均水深與當(dāng)?shù)貢r(shí)均水深D D成正比。成正比。沿岸流速度分布呈

11、三角形沿岸流速度分布呈三角形 在破波線，沿岸流速為最大在破波線，沿岸流速為最大bmbfbuCtgV sin85 在破波帶中點(diǎn)為破波帶內(nèi)在破波帶中點(diǎn)為破波帶內(nèi)沿岸流速平均值沿岸流速平均值 bmbfluCtgV sin165 Komar和和Inman (1970) (1970) bmbluV sin7 . 2 bbmbluV cossin7 . 2 Komar (1975)(1975) 三、考慮側(cè)向摻混的斜向入射波引起的沿岸流 在現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室中都可觀測(cè)到破波帶外存在沿岸流，這種流是由側(cè)向紊動(dòng)動(dòng)量交換引起的，紊動(dòng)動(dòng)量交換促使破波帶內(nèi)沿岸流動(dòng)量向帶外橫向擴(kuò)散，發(fā)生流速再分布現(xiàn)象。 0)(2 dxdVD

12、dxdVuCdxdSmfxy fCtgNP N N是代表側(cè)向摻混強(qiáng)度的參數(shù)，是代表側(cè)向摻混強(qiáng)度的參數(shù)，CfCf代表底部摩阻力代表底部摩阻力的參數(shù)，故的參數(shù)，故P P是表示側(cè)向摻混與底摩阻相對(duì)重要性。是表示側(cè)向摻混與底摩阻相對(duì)重要性。 當(dāng)當(dāng)P P趨于零時(shí)，速度剖面趨于三角形分布。當(dāng)趨于零時(shí)，速度剖面趨于三角形分布。當(dāng)P P增大增大時(shí)，流速分布趨于平坦，最大流速位置向岸線靠攏，時(shí)，流速分布趨于平坦，最大流速位置向岸線靠攏，且破波帶外流速逐漸增強(qiáng)。且破波帶外流速逐漸增強(qiáng)。 四、沿岸不均勻海灘剖面上的近岸流 考慮波浪正向入射，在沙壩型海灘剖面上，波浪在沙壩上破碎引起波浪增水，沙壩內(nèi)側(cè)的破波帶內(nèi)時(shí)均水面增加。 沙壩在沿岸方向是不連續(xù)的，有缺口(裂流溝)分布。裂流溝的水深相對(duì)較大，由于波浪折射作用，波能向裂流溝側(cè)邊的沙壩上輻聚，因此裂