波生流垂向分布规律和模拟

发布时间：2020-07-12 17:29

【摘要】：本文以平面斜坡和沙坝海岸上沿岸流垂向分布实验采集的沿岸方向和垂直岸线方向的流速时间历程为基础,利用对数分布拟合分析了实验室观测到的沿岸流垂向分布特征,分析了摩阻流速沿垂直岸线方向的变化特征。根据相似理论的不完全相似假设给出了预报沿岸流垂向分布的指数分布模型,将该模型应用到现场以及其它相关沿岸流垂向分布实验中,验证了模型的适用性。根据垂向岸线方向流速测量结果分析了平坡和沙坝海岸上垂直岸线方向水流流速的垂向分布规律。分析了基于POM(Princeton Ocean Model)三维近岸流模型。对Mellor(2003,2008)、Xia等(2004)、Lin和Zhang(2005)等人给出的三维辐射应力公式做了分析,指出了已有三维辐射应力公式的不合理之处。建立了基于压力面的三维辐射应力和对应的三维环流计算方程。在浅水假定下,将Mellor(2003)、 Svendsen(1984)和本文给出的三维辐射应力简化并应用到求解海底回流解析解中。应用基于POM模型的三维近岸流模型对有关学者的海底回流和沿岸流垂向分布实验结果以及本文平坡和沙坝海岸上的沿岸流和垂直岸线方向水流流速的垂向分布实验结果进行了数值模拟。文中首先阐述了沿岸流垂向分布运动对研究近岸污染物、泥沙输移的重要意义,并指出目前沿岸流垂向分布的实验研究比较少,因此,通过实验来研究沿岸流垂向分布有助于更加直观、深刻、全面的认识沿岸流垂向分布的特性,并为沿岸流垂向分布数值模拟的研究以及与沿岸流垂向分布相关研究提供实验结果。第二章详细介绍了平坡和沙坝海岸上沿岸流垂向分布的实验,具体包括该实验的物理模型布置和仪器布置。分析了平坡和沙坝地形上测量得到的波高、增减水和沿岸流的沿岸流均匀性和重复性。给出了平坡和沙坝海岸上测量数据的处理方法。对沿岸流垂向分布的特征做了简要分析。第三章采用对数分布和指数分布对平坡和沙坝海岸上测量得到的沿岸流垂向分布进行了数据拟合。采用对数分布对测量得到的沿岸流垂向分布进行了数据拟合,根据拟合得到的参数分析了表观粗糙度和摩阻流速沿垂直岸线方向的变化趋势。由于表观粗糙度和摩阻流速很难准确的确定,对数分布的应用受到了限制。指数分布包含两个参数：水深平均流速和指数。水深平均流速可以较为准确的确定,指数通常取1/10到1/7之间。对于平坡海岸指数取1/10时指数分布可以给出很好的拟合结果。对于沙坝海岸不同区域需要选用不同的指数。在沙坝谷到沙坝离岸侧,指数取1/10或1/7指数分布可以给出较好的拟合结果,对于处于沿岸流两个峰值之间流速波谷区域指数取1/3时指数分布可以给出较好的拟合结果。应用指数分别取为1/10和1/7的指数分布对有关实验室和现场实验测量的沿岸流垂向分布进行了预报,结果显示指数取1/10时指数分布给出的预报结果与实验结果符合良好。最后给出了平坡和沙坝海岸上垂直岸线方向水流流速的垂向分布实验结果。第四章介绍了POM模型,对有关学者基于POM模型建立的三维近岸流模型做了分析。对Mellor(2003,2008、Xia等(2004)、Lin和Zhang(2005)等人给出的三维辐射应力公式做了分析,指出了他们三维辐射应力公式的不合理之处。建立了基于压力面的三维辐射应力和对应的计算模型第五章给出了应用本文提出的三维辐射应力所得到的海底回流解析解,并与采用有关学者的三维辐射应力所得到的海底回流解析解进行了对比,讨论了不同三维辐射应力对海底回流计算结果的影响。分析中对涡粘系数分别采用了垂向抛物型、线性和常数分布涡粘系数,讨论了他们对海底回流解析解的影响。给出了垂直二维波生流计算模型,应用该模型对一些学者的海底回流实验结果进行了数值模拟。第六章提出了三维波生流耦合模型和半耦合模型。分析了不同垂向涡粘系数和不同水底摩擦力公式对沿岸流数值模拟结果的影响。应用本文给出的三维近岸流耦合模型和半耦合模型对Visser(1991)、Hamilton和Ebersole(2001)沿岸流垂向分布实验结果和本文沿岸流和垂直岸线方向水流流速的垂向分布实验结果进行了数值模拟,数值结果与实验结果符合良好。最后给出了本文的结论以及对于本研究的展望。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P731.2;TV14

【参考文献】