第5章海岸波生流4版

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(dá)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(jī)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(tuán)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(jī)理輻射應(yīng)力:波浪運動引起的波周期時均剩余動量流根本機(jī)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F·t=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？F·t=mv，ift=1,wehaveF=mv波浪場中ρu即單位時間內(nèi)、單寬波峰線、單位高度的水體流量(m)，ρu×u∽F第一節(jié)波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移瞬時動量流ρu２，ρv２，ρw２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方向的分量第一節(jié)波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移波周期時均動量流第一節(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(dá)式(2-75)，深水中=0第一個下標(biāo)表示輻射應(yīng)力作用面的法線方向，第二個下標(biāo)表示應(yīng)力的作用方向，上橫線表示時均值第二節(jié)輻射應(yīng)力表達(dá)式輻射應(yīng)力示意圖當(dāng)波浪傳播方向與x軸一致時(向離岸，5-23)當(dāng)波浪傳播方向與x軸斜交時(5-23)第二節(jié)輻射應(yīng)力表達(dá)式當(dāng)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節(jié)輻射應(yīng)力表達(dá)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(jìn)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：波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋靜水總壓力凈力：波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋底部支撐反力：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：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?。涸谏钏胁ɡ嗽鰷p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)象第三節(jié)波浪增水和減水減水公式在破波點，減水值最大sinh（2kh）≈2kh淺水破波點破波帶內(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）：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）：破碎后的波高時均水面與岸線相交處，增水達(dá)到最大，此時的岸線位置：對于平面斜坡海岸(tanβ)，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tanβ成反比，當(dāng)tanβ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波浪增水和減水公式綜合增減水理論解與實驗結(jié)果對比破波點外，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Goodagreement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)作用力（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(dāng)復(fù)雜的近岸流方程：?。縉o，onlyfortwosimplegoals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岸流控制方程第一個假定：波浪條件是穩(wěn)定的→近岸流也是穩(wěn)定的，即：簡化的近岸流控制方程第二個假定：沿岸方向波高均勻一致，即：從時均角度而言，只有沿岸流（V≠0），沒有向離岸流側(cè)向紊動摻混項的簡介作用在水柱體側(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(qiáng)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，動量交換通常可表示為速度梯度和動量交換系數(shù)(或渦粘系數(shù))的乘積：(4-14)平均流和波浪質(zhì)點速度共存時，時均床面阻力U＝０sinα≈0cosα≈1線性化簡化的近岸流控制方程第三個假定:斜向入射且近岸區(qū)入射角很小，即:sinα=0，cosα=1平均流和波浪質(zhì)點速度共存時，時均床面阻力y向(沿岸)

：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）前述假定下的X向動量方程（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）從泥沙運動角度，最想研究的是沿岸流的what？波浪正向入射：波浪增減水Ifwaveincidentobliquely?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？考慮or不考慮二、不考慮側(cè)向摻混的沿岸流側(cè)向摻混項可忽略破波帶內(nèi)和破波帶外的流速是不一樣滴！破波帶外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第五個假定：無限長平直等深線，底坡均勻Snell定律破波帶內(nèi)：波浪破碎引起能量損失，波高減小

(1)對于均勻底坡，沿岸流V與當(dāng)?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：破波帶內(nèi)沿岸流流速的分布沿岸流速在破波帶內(nèi)三角形分布破波點處流速最大沿岸流平均流速(破波帶中點)接岸處V=0破波帶內(nèi)沿岸流速經(jīng)驗公式Komar和Inman(1970)Komar(1975)修正為美國海岸工程手冊：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(kuò)散，出現(xiàn)流速再分布現(xiàn)象三、考慮側(cè)向摻混的斜向入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(kuò)散，發(fā)生流速再分布現(xiàn)象。N代表側(cè)向摻混強(qiáng)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(dāng)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(dāng)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(qiáng)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(jī)理sinα=0，cosα=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，波能向沙壩輻聚(折射)。沙壩輻聚區(qū)波高大，破波點離岸遠(yuǎn)，破波強(qiáng)度大，增水強(qiáng)，裂流溝輻散區(qū)波高較小，破波點離岸近，破波強(qiáng)度小，增水弱；形成自沙壩剖面向裂流溝的沿岸水面坡降力(沿岸流驅(qū)動力之一)不同方向傳播的入射波疊加→沿岸波高不均勻分布波幅在沿岸方向(y向)也是一個周期變化函數(shù)：沿岸波高不均勻分布的原因？破波帶內(nèi)：水面坡降力由高波能區(qū)指向低波能區(qū)(沿岸流驅(qū)動力之一)Syy從高波能區(qū)到低波能區(qū)沿岸減小→指向低波高區(qū)的輻射應(yīng)力梯度力(沿岸流驅(qū)動力之一)近岸環(huán)流及裂流形成的機(jī)理水面坡降力與輻射應(yīng)力差同向從相鄰高波高區(qū)流來的沿岸流在低波高區(qū)匯合，產(chǎn)生了離岸方向的裂流(離岸流量由越過沙壩的向岸凈流來提供)，這樣就形成了一個近岸環(huán)流系統(tǒng)