第5章 海岸波生流(4版)

1、第五章海岸波生流本章綱要 第一節(jié) 波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移 第二節(jié) 輻射應(yīng)力表達式 第三節(jié) 波浪增水和減水 第四節(jié) 平直海岸沿岸流 第五節(jié) 裂流和近岸環(huán)流的產(chǎn)生機理 第六節(jié) 海岸垂向環(huán)流 第七節(jié) 海岸低頻波浪海岸流-破波帶鄰近及其外緣水深較大的海區(qū)，表現(xiàn)為平行于岸線的均勻流動潮流-長周期往復(fù)振蕩流動，時間空間尺度較大風(fēng)吹流-時間和空間不確定海流-水團密度差引起，速度和方向變化小近岸區(qū)流動 波生近岸流-波浪作用引起的波周期時均流動 近岸環(huán)流體系向岸流(質(zhì)量輸移流) 沿岸流裂流(離岸流)近岸流研究目的:預(yù)測近岸流引起的泥沙搬運、岸灘演變和污染物搬運過程。對砂質(zhì)海岸岸線變化起主導(dǎo)作用的是破碎波引起的沿

2、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后的泥沙近岸泥沙輸移模式uUu 0 u222uUu 近岸流輸沙波浪振蕩流掀沙 誰引起了近岸流？ 近岸流動力的來源？ 沿岸流的驅(qū)動力是什么？ 1687，牛頓，自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 某一方向的運動的總和減去相反方向的運動的總和所得的運動量，不因物體間的相互作用而發(fā)生變化(動量守恒，只能轉(zhuǎn)移，不能消失) 超新星-地球：牛頓第三定律(相互作用)的失效 動量不僅可以為實物所攜帶，而且可以隨著光輻射一起傳播動量第一節(jié) 波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移 輻射應(yīng)力理論澄清了近岸流形成的力學(xué)機理 輻射應(yīng)力:波浪運動引起的波周期時均剩余動量流 根

3、本機理：水往低處流 波浪破碎波高衰減動量減小波浪與周圍流體產(chǎn)生相互作用： 近岸區(qū)水面變化波浪增減水(新的流體靜壓力) 形成近岸時均流場水流與底床的摩阻力平衡動量減少Ft =mv 波浪場中的動量流波浪場中有質(zhì)量、有速度，所以也有動量交換（動量流，應(yīng)力場）為什么動量流是一種應(yīng)力？Ft =mv，if t=1, we have F=mv波浪場中u即單位時間內(nèi)、單寬波峰線、單位高度的水體流量(m)， u u F第一節(jié) 波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移瞬時動量流 u，v，w稱為正向動量流，其余為切向動量流u、v、w-水質(zhì)點速度在x、y、z方向的分量222uuvuwMvuvvwwuwvw第一節(jié) 波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移

4、波周期時均動量流2220000uuvMvuvw222uwvwwuwuuvMvuvwvcosh ()cos()sinhk hzuakxtxkhsinh ()sin()sinhk hzwakxtzkh0011sin()cos()0TTuwdtkxtkxt dtTT第一節(jié) 波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移瞬時動量流時均動量流02xxzhhSpugzdz 輻射應(yīng)力的形成 波浪的存在產(chǎn)生了剩余動量流(輻射應(yīng)力)動水壓力+動量流靜水壓力(無波浪存在)第二節(jié) 輻射應(yīng)力表達式4sinh 2HkLhH(2-75)，深水中=0 xyyxhSSuvdz第一個下標表示輻射應(yīng)力作用面的法線方向，第二個下標表示應(yīng)力的作用方向，上橫

5、線表示時均值第二節(jié) 輻射應(yīng)力表達式輻射應(yīng)力示意圖02yyhzhgzdvzSp 02xxhzhgzduzSp 當波浪傳播方向與x軸一致時(向離岸，5-23) 當波浪傳播方向與x軸斜交時(5-23)01202102xxxyyxyynSSSSSnE221cossin2221sin2sin22xxxyyxyynnnSSSSSnnnE第二節(jié) 輻射應(yīng)力表達式1212sinh2khnkh當 波 浪 場 中 各 位 置(x,y,z)處的波高不變時，單位水體上的輻射應(yīng)力整體平衡若 波 浪 場 中 各 位 置(x,y,z)處的波高不同時，各位置處的輻射應(yīng)力也不同，單位水體上的作用力不平衡將產(chǎn)生增減水或時均水流第二

6、節(jié) 輻射應(yīng)力表達式第三節(jié) 波浪增水和減水增水和減水-波動水面時均值相對于靜止水面的偏離值一、 一維波浪增減水方程波浪增減水的形成原因波浪進入淺水區(qū)先淺水變形(波高增大)后波浪破碎(波高減小)波高的沿程變化將引起輻射應(yīng)力的沿程變化為平衡應(yīng)力差，時均水面會發(fā)生相應(yīng)的變化122xxSEn第三節(jié) 波浪增水和減水一、 一維波浪增減水方程假定：規(guī)則波正向入射、平直岸線、等深線平行于岸線(一維)波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋輻射應(yīng)力凈力：xxdSxdx波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋靜水總壓力凈力：dhdPxghxdxdx 212hPzhgdzg波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋底部支撐反力：s

7、incosxxRghdhghxdx tandhdx 波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋上述三力靜力平衡：xxddSg hdxdx 輻射應(yīng)力梯度和水面坡降力之間為保持平衡，輻射應(yīng)力的沿程變化會引起時均水面沿程的變化二、破波帶外的減水和破碎帶內(nèi)增水 破波帶外的淺水區(qū)：波浪淺水變形，波高隨水深減小而增大，輻射應(yīng)力沿程增大，時均水面沿程減?。篸xdSghdxdxx 1 dxdhgSdxdxx )( hh 0 dxdSxx在深水中波浪增減水消失, , 故沿程減小的時均水面 將位于靜水面以下，即發(fā)生減水現(xiàn)象0 dxd 0 第三節(jié) 波浪增水和減水減水公式在破波點，減水值最大2max111116162025

8、bbbbbbbHhHh 218 sinh(2)H kkh 2116Hh sinh（2kh）2kh淺水破波點0.78bbHh取破波帶內(nèi)：波浪破碎，波能耗散，波高減小，輻射應(yīng)力沿程減小，時均水面沿程增大（Noted：并不一定比靜水面高）：xhgSxxxdddd0 xxdSdx0ddx破波帶內(nèi)：波浪破碎，波能耗散，使得波高減小，輻射應(yīng)力沿程減小，時均水面沿程增大（Noted：并不一定比靜水面高）：bHhxxddSg hdxdx 2233216xxSEgh dxdhKdxd 21813bKtandhdx tandKdx xKhc bbbhhxx ,破碎后的波高 tanbbbbxK hh xK hx1n

9、 淺水時均水面與岸線相交處，增水達到最大，此時的岸線位置：tanddhKKdxdx maxmaxmaxmaxmaxmaxmaxtantantantanssssxxdxxdxx 0sbbxKh靜水岸線maxmaxtanx 對于平面斜坡海岸(tan)，破波帶內(nèi)波浪增減水 是線性變化的，由破碎點開始直線上升，導(dǎo)致平均岸線也沿岸坡上升，其移動距離與坡度tan成反比，當tan較小，坡度較緩時，即使很小的波浪增水 ，也會引起較大的岸線位移maxtansdxx波浪增水和減水公式綜合21,8 sin h (2)bHkxxkh tan,bbbbbK hh xK hxxx538增減水理論解與實驗結(jié)果對比 破波點外

10、，逐漸減水，從破波點開始，減水值不再增加，破波帶內(nèi)開始增水，增水水面為一直線 Good agreement例題5-1講解-破波帶內(nèi)波浪增水請記下待做的習(xí)題習(xí)題5.2、5.3 注明班級、學(xué)號、姓名 下周四課前，各班學(xué)習(xí)委員收齊后上交第四節(jié) 平直海岸沿岸流將流體力學(xué)質(zhì)量守恒方程和二個水平動量方程沿水深積分以及對波周期平均，得到描述近岸時均流場的平面二維近岸流方程一、近岸流質(zhì)量和動量守恒方程( )111yxyyxyyybySSTTVVVUVgtxyyDxyDxyD近岸流控制方程（慣性項） （水面坡降力）（輻射應(yīng)力梯度） （紊流應(yīng)力項）（床面阻力項）波浪輻射應(yīng)力梯度是驅(qū)動時均流動和時均水面變化的主導(dǎo)作

11、用力0UDVDtxy( )111xyyxbxxxxxSTSTUUUUVgtxyxDxyDxyD hD（5-39）近岸流控制方程的解法 (1)給出近岸各點的水深 (2)根據(jù)深水波要素，利用淺水變形、折射、繞射、反射、破碎理論和破波帶內(nèi)的能量耗散模型獲得近岸各點的波高、波向和波周期 (3)根據(jù)波浪條件和水深條件計算輻射應(yīng)力項等 (4)代入方程，聯(lián)立求解三個方程，三個獨立變量(時均水面 ，X向深度平均流速時均值U， Y向深度平均流速時均值 V)我們的目的求解相當復(fù)雜的近岸流方程：?。?No，only for two simple goals 波浪增減水 沿岸流的形成我們需要假定簡化近岸流方程簡化的近

12、岸流控制方程 hD第一個假定第一個假定：波浪條件是穩(wěn)定的近岸流也是穩(wěn)定的，即：0t( )111yxyyxyyybySSTTVVVUVgtxyyDxyDxyD0UDVDtxy( )111xyyxbxxxxxSTSTUUUUVgtxyxDxyDxyD簡化的近岸流控制方程0UDVDxy第二個假定第二個假定：沿岸方向波高均勻一致，即：/0y 從時均角度而言，只有沿岸流（V0），沒有向離岸流/0y 0UhxUhConst0U ,buthConst( )11byxyyxyyyySSTTVVUVgxyyDxyDxyD( )11bxyyxxxxxxSTSTUUUVgxyxDxyDxyD?側(cè)向紊動摻混項的簡介作

13、用在水柱體側(cè)面上的紊動應(yīng)力-側(cè)向混合應(yīng)力，由波浪破碎產(chǎn)生的強烈紊動在相鄰水體間產(chǎn)生動量交換引起的(流體粘性)。紊動動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，動量交換通?？杀硎緸樗俣忍荻?和動量交換系數(shù)(或渦粘系數(shù)) 的乘積： (4-14)00UxxTx22xxeyyexyyxeUTDxVTDyUVTTDyx Uxe平均流和波浪質(zhì)點速度共存時，時均床面阻力 wf V V sin)cos(cos)cos(tuVtuUvVuUVmmU VtuVm)cos( sin0cos1線性化簡化的近岸流控制方程第三個假定第三個假定:斜向入射且近岸區(qū)入射角很小，即:sin=0，cos=1wf

14、取值為第四章中的1 2平均流和波浪質(zhì)點速度共存時，時均床面阻力 wf V V VtuVm)cos( ()20bywmf u Vy向(沿岸) ：()2cos() cos()0bxwmf utt第四個假定第四個假定:沿岸流速V波浪水質(zhì)點軌跡速度幅值umx向(向岸) ：+（5-43）( )1bxxxSgxDx前述假定下的X向動量方程xhgSxxxdddd（5-41）等同于增減水方程(5-25)，但此時的Sxx要考慮波浪斜向入射前述假定下的Y向動量方程（5-42）( )111xyxybySTDxDxDxyeUTDyVx ()2bywmVf u從泥沙運動角度，最想研究的是沿岸流的what？ 波浪正向入射

15、：波浪增減水 If wave incident obliquely? 輻射應(yīng)力梯度的向岸分量(Sxx)由平均水面坡降力來平衡 輻射應(yīng)力梯度的沿岸分量(Sxy)由Who來平衡？第四節(jié) 平直海岸沿岸流( )xyxybySTxxxhgSxxxdddd波浪斜向入射時，沿岸輻射應(yīng)力切向分量Sxy在破波帶內(nèi)的變化不能由平均水面坡降力所平衡。因此，沿岸方向需要有底部剪切應(yīng)力來平衡Sxy的梯度，而時均剪切應(yīng)力只有發(fā)生時均流動時才存在這說明：Sxy在向岸方向（x向）的變化形成了沿岸流第四節(jié) 平直海岸沿岸流沿岸流速=F(入射角,破碎波高,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

16、到了沿岸流速度分布公式從泥沙運動角度，最想研究的是沿岸流的what？( )111xyxybySTDxDxDxyeUTDyVx ()2bywmVf u考慮 or 不考慮V二、不考慮側(cè)向摻混的沿岸流 側(cè)向摻混項可忽略0 xxyyxyyxTTTT20 xywmdSf u Vdx( )xybydSdx ()2wbymu Vf破波帶內(nèi)和破波帶外的流速是不一樣滴！破波帶外sinsincoscosxySEnEcnCc0 dxdSxy破波帶外波浪沒有破碎，沒有能量損失，在傳播過程中沿岸方向輻射應(yīng)力Sxy沿程不變，沿岸流驅(qū)動力為0，V=0(cos )EcnConstsincConst20 xywmdSf u V

17、dx0V 第五個假定：無限長平直等深線，底坡均勻Snell定律bbHhDgDc 破波帶內(nèi)：波浪破碎引起能量損失，波高減小 23 25sinsin 2()2161tanxyxybdSnSEgDdxcK1ta5nsin16bwVgDfcK1tan5sin8mbwVufKcos1sincConst1n20 xywmdSf u Vdx21813bK/2mbbugD5 52(1)對于均勻底坡，沿岸流V與當?shù)貢r均水深D成正比：(2)沿岸流大小取決于入射角、破碎波高、海灘坡度：tan5s1in8wmbVfuK1ta5nsin16bwVgfcDK5 52破波帶內(nèi)沿岸流流速的分布 沿岸流速在破波帶內(nèi)三角形分布

18、破波點處流速最大 沿岸流平均流速(破波帶中點) 接岸處V=01tan5sin16lmbbwVufKmax1tan5sin8bmbbwVufK5 535 54破波帶內(nèi)沿岸流速經(jīng)驗公式Komar和和Inman (1970) (1970) bmbluV sin7 . 2 bbmbluV cossin7 . 2 Komar (1975)修正為修正為 5 55美國海岸工程手冊：美國海岸工程手冊： 1 220.7tansin2lbbVgH不考慮側(cè)向摻混的沿岸流之不合理破波帶外：0破波線處：最大破波點處：突變？側(cè)向紊動動量交換使得破波帶內(nèi)的沿岸流動量向破波帶外擴散，出現(xiàn)流速再分布現(xiàn)象三、考慮側(cè)向摻混的斜向入

19、射波引起的沿岸流在現(xiàn)場和實驗室中都可觀測到破波帶外存在沿岸流，這種流是由側(cè)向紊動動量交換引起的，紊動動量交換促使破波帶內(nèi)沿岸流動量向帶外橫向擴散，發(fā)生流速再分布現(xiàn)象。 2()0 xywmedSdf u VdxdxxVD ( )111xyxybySTDxDxD()2wbymu VfxyeVTDx 1tanbwNKPfN代表側(cè)向摻混強度的參數(shù)，Cf代表底部摩阻力的參數(shù)，故P表示側(cè)向摻混與底摩阻相對重要性 當P趨于零時(不考慮側(cè)向摻混)，速度剖面趨于三角形分布。當P增大時，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前面討論的是無限長平直、均勻海灘。但實際海灘都不是這樣的，海灘剖面在y向（沿岸方向）是不均勻的、不規(guī)則的(即等深線不平直，沿岸水深不一致沿岸波高不均勻近岸環(huán)流)第五節(jié) 裂流和近岸環(huán)流的產(chǎn)生機理21sin2yynESn/0y sin=0，cos=1沿岸波高不均勻分布的原因？沿岸水底地形變化波浪折射沿岸波高不均勻分布 如沙壩型海灘剖面，規(guī)律性地交錯分布著沙壩和裂流溝，沙壩處水深小，裂流溝處水深大，