潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪传播变形和增水试验

发布时间：2019-08-15 14:46

【摘要】：为揭示潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪的运动特征,通过波流水槽试验对潮汐流存在下规则波的传播变形和增水规律进行了研究,测试了一系列的潮汐流流量并对比正向流、反向流以及无流的情况。研究结果表明:反向流使波浪破碎点向远海侧移动,正向流则使其向海岸侧移动,反向流存在时破碎带内的湍流较正向流时更为剧烈;反向流时破碎点附近入射波能量由主频波向高次谐波发生转移更为显著;潮汐流的存在对波浪反射、透射和能量耗散并无明显影响;正向流造成礁坪上波浪增水减少,反向流则促进增水的增长,增水最大值与潮汐流流量间存在显著的线性关系。研究成果可望为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考。
【图文】：

自由液面,水位计,潮汐流,礁坪

第4期姚宇，等:潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪传播变形和增水试验615和增水特征进行研究，，重点探讨潮汐流大小和方向变化时波浪的破碎、反射、透射、能量耗散、高次谐波的生成以及波浪增水的变化规律。1试验设置物理模型试验在长沙理工大学长45m、宽0.5m、高0.8m的波流水槽中进行，试验设置如图1所示，水槽左端为一台活塞式造波机，距造波机约41m的另一端设有坡度为1∶8的斜坡模拟礁后岸滩，斜坡上覆盖有多孔吸波材料，以减小波浪反射。珊瑚礁概化模型根据弗洛伊德相似定律，根据Hench等［14］在法属波利尼西亚莫雷阿岛的现场观测，按1∶20的几何比尺由聚氯乙烯板建造，具体设置为:在距造波机27.3m处设置坡度为1∶6的斜坡模拟礁前斜坡，其后连接长度为7m的水平平台模拟礁坪，礁坪距水槽底部0.35m，礁坪末端通过另一个斜坡与水槽底部相连接，从而使礁坪与礁后岸滩之间的区域形成了一个“泻湖”。为了保证模型的稳定性，整个模型由悬挂在水槽壁上的不锈钢杆固定，并使用玻璃胶密封模型与水槽壁以及与水槽底的间隙。运用直径为240mm的圆形管道将泻湖底部和造波机附近的槽底相连来模拟裂口，以实现由礁体、泻湖、裂口构成的2DH环流系统。管道中部设有变频造流泵和流量计，可通过在管道中生成设计流量的正向或反向的强迫流来实现对潮汐流的模拟。本试验拟测试2个礁坪水深(代表潮位)(hr=0.05m，0.10m)、3个波浪周期(T=1s，1.5s，2s)和4个入射波高(HI=0.04m，0.06m，0.08m，0.10m)的组合规则波工况。为了测试潮汐流的影响，首先在恒定流量为Q=+20m3/h的正向流(潮汐流流向与波浪传播方向一致)和Q=－20m3/h反向流(潮汐流流向与波浪传播方向相反)作用下，并分别测试上述所有波况;随后在典型波况(HI=0.08m，T=1.5s，hr=0.05m)下，测试了?

礁缘,破碎波,不同相

喽晕榷ㄗ刺嗑囗虼耍嗵Ｖち酥?少可以取最后100个波周期的数据进行分析。同时在水槽侧面布置2个分辨率为1280pixel×720pixel、采样率为30Hz的USB摄像仪来记录礁缘附近波浪的破碎特征。2结果及分析2.1波浪破碎特征试验中通过观察发现，大部分工况下波浪在礁缘附近呈卷破波的形式破碎。本文选取了代表性波浪(HI=0.08m，T=1.5s，hr=0.05m)作用下正向流(Q=+20m3/h)、反向流(Q=－20m3/h)以及无流(Q=0)时礁缘处波浪的破碎特征进行比较。当波浪场达到稳定状态后，摄像仪记录的破碎波在不同相位(t/T)时的演化情况如图2所示，t为破碎波的传播时间。图2礁缘处不同相位(t/T)时的破碎波(HI=0.08m，T=1.5s，hr=0.05m)Fig.2Breakingwavesaroundthereefedgeunderdifferentwavephasest/T(HI=0.08m，T=1.5s，hr=0.05m)对于正向流、反向流以及无流情况均可观察到:当t/T=0时，卷破波发生在近礁缘处的礁前斜坡上，其波峰向下翻卷，水舌投向礁缘附近;当t/T=1/4时，由于卷破波水舌的冲击，从冲击点到溅波点(卷破波水舌撞击水体造成水花飞溅的最远点)之间的水体剧烈翻滚，通过掺气作用产生大量的泡沫状气水混合物。当t/T=1/2时，礁缘附近的水体紊动明显减小，只剩表层水体的少量掺气作用;当t/T=3/4时，水体紊动基本消失，在礁坪上重新生成规则的行进波，而礁缘处出现明显的向海侧的回流。同时由图2中对比可知，相比于无流情况，正向流影响下t/T=0时破碎点(以翻卷的水舌波峰开始脱离的位置确定)更靠近向岸侧，而反向流影响下则更靠近离岸侧;在t/T=1/4时可以明显观察到反向流情况下水体紊动较正向流情况下更加强烈。但通过G9位置的测量发现3种情况下的透射波高却相似，约为0.025m。2.2高次谐波的生成类似于台阶式地形(如潜堤、沙坝等)，波浪作?
【作者单位】：长沙理工大学水利工程学院;南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51679014) 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室开放基金(Yn216002)~~
【分类号】：P731.2

【参考文献】