海岸沙坝运动的实验与数值模拟研究

发布时间：2020-07-14 04:18

【摘要】：沙坝是沙质海滩的重要组成部分之一。在近岸水域内,沙坝的存在会使波浪在离岸较远的地方发生破碎,以减少波浪对岸滩侵蚀,对海岸起到了一定的保护作用。但目前为止,沙坝产生的机理和演化规律仍不清楚。近年来,研究沙坝产生和演化规律已成为海岸工程的一个重要课题,这对研究海岸的演化、防止海岸的冲刷等都具有重要意义。本文通过一系列的物理模型实验和数值模拟对海岸沙坝的产生和运动进行了研究,主要内容包括： (1)进行了海岸沙坝产生和运动的实验模拟,研究了规则波、波群和不规则波作用下近岸沙坝产生和运动的特征。针对沙坝产生的机理和不稳定性运动,对不同波浪形态(规则波、波群和不规则波)作用下产生的海岸剖面形态进行了研究。实验中发现,在某种波况下,沙坝运动呈向岸、离岸的往复运动,而不是持续向一个方向的运动。通过对实验结果的分析,也进一步表明,沙坝运动不是海床对波浪作用的被动响应,而是更接近于一种海床和波浪之间的相互作用。文中还探讨了波群调制系数对沙坝运动的影响,以及不同波况对海岸剖面形态的影响。通过对沙坝速度的分析,进一步讨论了多种波况作用下沙坝的不稳定运动。最后,通过对这种不稳定运动的分析,并结合线性不稳定的理论,给出了一个初步的理论解释,定性的分析了所观测到的往复运动是一种海床剖面不稳定性导致的运动。 (2)通过对海岸沙坝运动实验的分析可知,本文实验所涉及的海岸属于耗散性海岸,即近岸低频波的影响不可忽视。在波浪条件下,低频波浪对近岸泥沙运动的作用是不容忽视的。为了便于研究低频波浪传播的特性,并且方便验证数学模型中波浪模块对低频波浪的模拟结果,我们也进行了一系列的低频波模型实验研究。低频波浪的模型实验研究包括：实验模型、仪器布置、双波群的生成和实验波况,着重分析了所产生低频波浪的特征,包括反射低频波个数,时间尺度和大小；推导了包含坡度、入射波周期、短波数和波幅的无因次指标M,用于预测反射低频波个数。 (3)在数值模拟方面,本文中分别采用两种数学模型对近岸水动力进行了模拟计算,即波浪平均模型(Wave-averaged model)和短波相位识别模型(Phase-resolving model)。波浪平均模型的控制方程通过将欧拉方程在短波周期上进行平均得到,然后采用WAF方法进行求解,模拟结果与实验吻合较好。在破碎区,波浪平均计算模型在短波能量的计算方面存在一些误差,主要是由于波浪方程中对耗散项的近似表达引起,也可以由此解释低频波浪波面升高的误差由来,即耗散项的近似表达影响了辐射应力的计算精度,因而影响低频波浪的波面升高。为了更精确的模拟波浪破碎后的低频波波面升高和能量,除了短波平均模型外,我们还采用了短波相位识别模型,即Boussinesq型模型对低频波模型实验进行数值模拟。模型的控制方程采用简化的四阶弱非线性方程和二阶完全非线性方程。通过与实验结果的对比,分别验证两种模型对低频波浪的模拟效果及精度。虽然波浪平均模型在精确性上不如短波相位识别模型,但是该模型可以单独考虑长波对于近岸输沙的作用,因此,也是本文研究的一个主要内容。而短波相位识别模型的模拟精度更高,且能对短波与低频波浪相互作用进行模拟,有更广泛的适用性。 (4)海底形态的数值模型包括：计算驱动力的水动力模型、计算输沙通量的泥沙模型以及地形变化模型之间的耦合。模型主要采用基于能量考虑的BBB输沙公式及其修正形式；对海岸变形方程的数值求解采用了由Long推导的Euler-WENO格式。 (5)将波浪平均模型应用于海岸演变的数值模拟。将其与近岸输沙和海岸变形方程相耦合,对海岸地形的演变进行了数值模拟。模拟结果与实验结果的对比表明：该模型可以模拟出海岸侵蚀,但不能较好的模拟初始直线型斜坡上近岸沙坝的产生过程。模拟内容包括波群及不规则波作用下的沙坝离岸运动过程,讨论了短波、长波和平均水流共同作用及单独作用下的沙坝运动情况。 (6)将短波相位识别模型应用于海岸演变的数值模拟。将其与输沙和海岸变形模型相耦合,对规则波、波群和不规则波作用下沙坝的产生和运动进行了数值模拟,并与实验结果进行了验证。结果表明：在不同波浪作用下沙坝的产生位置的计算结果和实验结果吻合良好；沙坝的产生主要是由于波浪破碎及其所产生的海底回流所引起的,海底回流所导致的输沙率在空间梯度上的变化是沙坝产生运动的主因。该模型对于预测海岸侵蚀以及沙坝离岸运动能达到很好的结果,并且能够实现对次级沙坝的模拟。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P731.22

【参考文献】