第三章近岸波浪流

第三章近岸波浪流第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第三章近岸波浪流第一節(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)、平直岸灘的沿岸流第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三海流潮流風(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)的波周期時均流.近岸區(qū)流動第一節(jié)概述近岸流海岸流近岸流向岸流沿岸流離岸流(裂流)第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三近岸流研究目的: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。波浪振蕩流掀沙,近岸流輸沙近岸泥沙輸移模式:第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

幅射應(yīng)力定義為波浪運動引起的波周期時均剩余動量流。輻射應(yīng)力理論澄清了沿岸流形成的力學(xué)機理，在波浪增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。

第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)近岸流控制方程一、近岸流質(zhì)量和動量守恒方程

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進行波周期平均，得到描述近岸時均流場的平面二維近岸流方程.第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三沿水深積分進行波周期平均，流體力學(xué)方程(關(guān)于u,v)求解近岸時均流場U,V平面二維近岸流方程(關(guān)于U,V)含有與的相關(guān)項(幅射應(yīng)力)第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

求解近岸流場問題中，近岸各點水深和波浪條件包括波高、波向角及周期應(yīng)預(yù)先給定，以計算輻射應(yīng)力項。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)力作為近岸流場計算的輸入條件第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

方程中時間變化項的時間尺度遠大于波周期，它表示的是波浪條件(浪高、周期等)隨時間變化引起的近岸流場的變化過程。在實際應(yīng)用中，可引入一些簡化假定。假定流浪條件是穩(wěn)定的，因而近岸流也是穩(wěn)定的自由表面上沒有平均剪切應(yīng)力第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三床面切應(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)動時均流動和時均水面變化的主導(dǎo)作用力。

第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三二、床面阻力項

平均流和波浪質(zhì)點速度共存時，時均床面阻力假定入射角很小，即sinα≈0，cosα≈1，純沿岸流時U＝０，總的速度近似為假定沿岸流速度運小于波浪質(zhì)點速度，沿岸方向(y向)的床面阻力

第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三、側(cè)向紊動摻混項

作用在水柱體側(cè)面上的紊動應(yīng)力又叫側(cè)向混合應(yīng)力，主要是由波浪破碎產(chǎn)生的強烈紊動在相鄰水體間產(chǎn)生動量交換引起的。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?？杀硎緸樗俣忍荻群蛣恿拷粨Q系數(shù)(或紊動粘滯系數(shù))的乘積第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第三節(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，時均水面的變化.

增水和減水是指波動水面時均值相對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，這時時均流速為零，相關(guān)的底摩阻和紊動應(yīng)力消失，x方向動量方程式簡化為

第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

波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)力的變化會引起時均水面的變化。時均流速為零，底摩阻和紊動應(yīng)力消失，第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三二、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，因而幅射應(yīng)力也沿程增大

在深水中波浪增減水消失,,故在靜水面以下，即發(fā)生減水現(xiàn)象。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三減水公式

淺水近似

在破波點，減水值最大第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

破波帶內(nèi)，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。

破碎后的波高第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三時均水面與岸坡相交處，波浪增水達到最大值

第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)平直岸灘的沿岸流一、概述

波浪斜向入射時，沿岸方向輻射應(yīng)力切向分量在通過破波帶時的變化并不能由平均水面坡降力所平衡。在沿岸方向，需要有底部剪切應(yīng)力來平衡輻應(yīng)力梯度。而時均剪切應(yīng)力只有在發(fā)生時均流動時才存在。

一般認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。第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三二、不考慮側(cè)向摻混的斜向入射波引起的沿岸流簡化假定：穩(wěn)定波，斜向入射且入射角很小，沿岸方向均勻；無限長平直等深線，底坡均勻。忽略側(cè)向混合.連續(xù)方程

V=V(x)第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三床面切應(yīng)力

紊流應(yīng)力輻射應(yīng)力梯度水面坡降V=V(x)波浪增減水方程

向岸方向(x方向)

沿岸方向(y方向)

沿岸流方程(不考慮側(cè)向摻混)第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

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。

假定沿岸流速度遠小于波浪水質(zhì)點軌跡速度，入射角很小，第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三破波帶外的情況

破波帶外，沿岸流驅(qū)動力為零，因而V=0

沒有能量損失時，時均流驅(qū)動力為零。這個結(jié)論可推廣到非均勻地形的情況。第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三在破波帶內(nèi)，波浪破碎引起能量損失，波高減小

第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

對于均勻底坡，沿岸流V與當?shù)貢r均水深D成正比。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帶中點為破波帶內(nèi)沿岸流速平均值

Komar和Inman(1970)Komar(1975)第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三、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散，發(fā)生流速再分布現(xiàn)象。第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

N是代表側(cè)向摻混強度的參數(shù)，Cf代表底部摩阻力的參數(shù)，故P是表示側(cè)向摻混與底摩阻相對重要性。

當P趨于零時，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。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三四、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，因此裂流溝處破碎波高較小，波