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1、第五章海岸波生流本章綱要 第一節(jié) 波浪破碎引起的動(dòng)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(dòng)潮流-長(zhǎng)周期往復(fù)振蕩流動(dòng),時(shí)間空間尺度較大風(fēng)吹流-時(shí)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(dòng) 波生近岸流-波浪作用引起的波周期時(shí)均流動(dòng) 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(cè)近岸流引起的泥沙搬運(yùn)、岸灘演變和污染物搬運(yùn)過(guò)程。對(duì)砂質(zhì)海岸岸線變化起主導(dǎo)作用的是破碎波引起的沿
2、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(dòng)后的泥沙近岸泥沙輸移模式uUu 0 u222uUu 近岸流輸沙波浪振蕩流掀沙 誰(shuí)引起了近岸流? 近岸流動(dòng)力的來(lái)源? 沿岸流的驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的總和減去相反方向的運(yùn)動(dòng)的總和所得的運(yùn)動(dòng)量,不因物體間的相互作用而發(fā)生變化(動(dòng)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(dòng)量不僅可以為實(shí)物所攜帶,而且可以隨著光輻射一起傳播動(dòng)量第一節(jié) 波浪破碎引起的動(dòng)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(yùn)動(dòng)引起的波周期時(shí)均剩余動(dòng)量流 根
3、本機(jī)理:水往低處流 波浪破碎波高衰減動(dòng)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(shí)均流場(chǎng)水流與底床的摩阻力平衡動(dòng)量減少Ft =mv 波浪場(chǎng)中的動(dòng)量流波浪場(chǎng)中有質(zhì)量、有速度,所以也有動(dòng)量交換(動(dòng)量流,應(yīng)力場(chǎng))為什么動(dòng)量流是一種應(yīng)力?Ft =mv,if t=1, we have F=mv波浪場(chǎng)中u即單位時(shí)間內(nèi)、單寬波峰線、單位高度的水體流量(m), u u F第一節(jié) 波浪破碎引起的動(dòng)量轉(zhuǎn)移瞬時(shí)動(dòng)量流 u,v,w稱為正向動(dòng)量流,其余為切向動(dòng)量流u、v、w-水質(zhì)點(diǎn)速度在x、y、z方向的分量222uuvuwMvuvvwwuwvw第一節(jié) 波浪破碎引起的動(dòng)量轉(zhuǎn)移
4、波周期時(shí)均動(dòng)量流2220000uuvMvuvw222uwvwwuwuuvMvuvwvcosh ()cos()sinhk hzuakxtxkhsinh ()sin()sinhk hzwakxtzkh0011sin()cos()0TTuwdtkxtkxt dtTT第一節(jié) 波浪破碎引起的動(dòng)量轉(zhuǎn)移瞬時(shí)動(dòng)量流時(shí)均動(dòng)量流02xxzhhSpugzdz 輻射應(yīng)力的形成 波浪的存在產(chǎn)生了剩余動(dòng)量流(輻射應(yīng)力)動(dòng)水壓力+動(dòng)量流靜水壓力(無(wú)波浪存在)第二節(jié) 輻射應(yīng)力表達(dá)式4sinh 2HkLhH(2-75),深水中=0 xyyxhSSuvdz第一個(gè)下標(biāo)表示輻射應(yīng)力作用面的法線方向,第二個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力的作用方向,上橫
5、線表示時(shí)均值第二節(jié) 輻射應(yīng)力表達(dá)式輻射應(yīng)力示意圖02yyhzhgzdvzSp 02xxhzhgzduzSp 當(dāng)波浪傳播方向與x軸一致時(shí)(向離岸,5-23) 當(dāng)波浪傳播方向與x軸斜交時(shí)(5-23)01202102xxxyyxyynSSSSSnE221cossin2221sin2sin22xxxyyxyynnnSSSSSnnnE第二節(jié) 輻射應(yīng)力表達(dá)式1212sinh2khnkh當(dāng) 波 浪 場(chǎng) 中 各 位 置(x,y,z)處的波高不變時(shí),單位水體上的輻射應(yīng)力整體平衡若 波 浪 場(chǎng) 中 各 位 置(x,y,z)處的波高不同時(shí),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(shí)均水流第二
6、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(dòng)水面時(shí)均值相對(duì)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(shí)均水面會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化122xxSEn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:xxdSxdx波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋靜水總壓力凈力:dhdPxghxdxdx 212hPzhgdzg波浪增減水的物理意義-靜力平衡之解釋底部支撐反力:s
7、incosxxRghdhghxdx tandhdx 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:xxddSg hdxdx 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(huì)引起時(shí)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(shí)均水面沿程減小:dxdSghdxdxx 1 dxdhgSdxdxx )( hh 0 dxdSxx在深水中波浪增減水消失, , 故沿程減小的時(shí)均水面 將位于靜水面以下,即發(fā)生減水現(xiàn)象0 dxd 0 第三節(jié) 波浪增水和減水減水公式在破波點(diǎn),減水值最大2max111116162025
8、bbbbbbbHhHh 218 sinh(2)H kkh 2116Hh sinh(2kh)2kh淺水破波點(diǎn)0.78bbHh取破波帶內(nèi):波浪破碎,波能耗散,波高減小,輻射應(yīng)力沿程減小,時(shí)均水面沿程增大(Noted:并不一定比靜水面高):xhgSxxxdddd0 xxdSdx0ddx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(shí)均水面沿程增大(Noted:并不一定比靜水面高):bHhxxddSg hdxdx 2233216xxSEgh dxdhKdxd 21813bKtandhdx tandKdx xKhc bbbhhxx ,破碎后的波高 tanbbbbxK hh xK hx1n
9、 淺水時(shí)均水面與岸線相交處,增水達(dá)到最大,此時(shí)的岸線位置:tanddhKKdxdx maxmaxmaxmaxmaxmaxmaxtantantantanssssxxdxxdxx 0sbbxKh靜水岸線maxmaxtanx 對(duì)于平面斜坡海岸(tan),破波帶內(nèi)波浪增減水 是線性變化的,由破碎點(diǎn)開(kāi)始直線上升,導(dǎo)致平均岸線也沿岸坡上升,其移動(dòng)距離與坡度tan成反比,當(dāng)tan較小,坡度較緩時(shí),即使很小的波浪增水 ,也會(huì)引起較大的岸線位移maxtansdxx波浪增水和減水公式綜合21,8 sin h (2)bHkxxkh tan,bbbbbK hh xK hxxx538增減水理論解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 破波點(diǎn)外
10、,逐漸減水,從破波點(diǎn)開(kāi)始,減水值不再增加,破波帶內(nèi)開(kāi)始增水,增水水面為一直線 Good agreement例題5-1講解-破波帶內(nèi)波浪增水請(qǐng)記下待做的習(xí)題習(xí)題5.2、5.3 注明班級(jí)、學(xué)號(hào)、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(gè)水平動(dòng)量方程沿水深積分以及對(duì)波周期平均,得到描述近岸時(shí)均流場(chǎng)的平面二維近岸流方程一、近岸流質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程( )111yxyyxyyybySSTTVVVUVgtxyyDxyDxyD近岸流控制方程(慣性項(xiàng)) (水面坡降力)(輻射應(yīng)力梯度) (紊流應(yīng)力項(xiàng))(床面阻力項(xiàng))波浪輻射應(yīng)力梯度是驅(qū)動(dòng)時(shí)均流動(dòng)和時(shí)均水面變化的主導(dǎo)作
11、用力0UDVDtxy( )111xyyxbxxxxxSTSTUUUUVgtxyxDxyDxyD hD(5-39)近岸流控制方程的解法 (1)給出近岸各點(diǎn)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(diǎn)的波高、波向和波周期 (3)根據(jù)波浪條件和水深條件計(jì)算輻射應(yīng)力項(xiàng)等 (4)代入方程,聯(lián)立求解三個(gè)方程,三個(gè)獨(dú)立變量(時(shí)均水面 ,X向深度平均流速時(shí)均值U, Y向深度平均流速時(shí)均值 V)我們的目的求解相當(dāng)復(fù)雜的近岸流方程:??? No,only for two simple goals 波浪增減水 沿岸流的形成我們需要假定簡(jiǎn)化近岸流方程簡(jiǎn)化的近
12、岸流控制方程 hD第一個(gè)假定第一個(gè)假定:波浪條件是穩(wěn)定的近岸流也是穩(wěn)定的,即:0t( )111yxyyxyyybySSTTVVVUVgtxyyDxyDxyD0UDVDtxy( )111xyyxbxxxxxSTSTUUUUVgtxyxDxyDxyD簡(jiǎn)化的近岸流控制方程0UDVDxy第二個(gè)假定第二個(gè)假定:沿岸方向波高均勻一致,即:/0y 從時(shí)均角度而言,只有沿岸流(V0),沒(méi)有向離岸流/0y 0UhxUhConst0U ,buthConst( )11byxyyxyyyySSTTVVUVgxyyDxyDxyD( )11bxyyxxxxxxSTSTUUUVgxyxDxyDxyD?側(cè)向紊動(dòng)摻混項(xiàng)的簡(jiǎn)介作
13、用在水柱體側(cè)面上的紊動(dòng)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(dòng)在相鄰水體間產(chǎn)生動(dòng)量交換引起的(流體粘性)。紊動(dòng)動(dòng)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(dòng)量交換通??杀硎緸樗俣忍荻?和動(dòng)量交換系數(shù)(或渦粘系數(shù)) 的乘積: (4-14)00UxxTx22xxeyyexyyxeUTDxVTDyUVTTDyx Uxe平均流和波浪質(zhì)點(diǎn)速度共存時(shí),時(shí)均床面阻力 wf V V sin)cos(cos)cos(tuVtuUvVuUVmmU VtuVm)cos( sin0cos1線性化簡(jiǎn)化的近岸流控制方程第三個(gè)假定第三個(gè)假定:斜向入射且近岸區(qū)入射角很小,即:sin=0,cos=1wf
14、取值為第四章中的1 2平均流和波浪質(zhì)點(diǎn)速度共存時(shí),時(shí)均床面阻力 wf V V VtuVm)cos( ()20bywmf u Vy向(沿岸) :()2cos() cos()0bxwmf utt第四個(gè)假定第四個(gè)假定:沿岸流速V波浪水質(zhì)點(diǎn)軌跡速度幅值umx向(向岸) :+(5-43)( )1bxxxSgxDx前述假定下的X向動(dòng)量方程xhgSxxxdddd(5-41)等同于增減水方程(5-25),但此時(shí)的Sxx要考慮波浪斜向入射前述假定下的Y向動(dòng)量方程(5-42)( )111xyxybySTDxDxDxyeUTDyVx ()2bywmVf u從泥沙運(yùn)動(dòng)角度,最想研究的是沿岸流的what? 波浪正向入射
15、:波浪增減水 If wave incident obliquely? 輻射應(yīng)力梯度的向岸分量(Sxx)由平均水面坡降力來(lái)平衡 輻射應(yīng)力梯度的沿岸分量(Sxy)由Who來(lái)平衡?第四節(jié) 平直海岸沿岸流( )xyxybySTxxxhgSxxxdddd波浪斜向入射時(shí),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(lái)平衡Sxy的梯度,而時(shí)均剪切應(yīng)力只有發(fā)生時(shí)均流動(dòng)時(shí)才存在這說(shuō)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
16、到了沿岸流速度分布公式從泥沙運(yùn)動(dòng)角度,最想研究的是沿岸流的what?( )111xyxybySTDxDxDxyeUTDyVx ()2bywmVf u考慮 or 不考慮V二、不考慮側(cè)向摻混的沿岸流 側(cè)向摻混項(xiàng)可忽略0 xxyyxyyxTTTT20 xywmdSf u Vdx( )xybydSdx ()2wbymu Vf破波帶內(nèi)和破波帶外的流速是不一樣滴!破波帶外sinsincoscosxySEnEcnCc0 dxdSxy破波帶外波浪沒(méi)有破碎,沒(méi)有能量損失,在傳播過(guò)程中沿岸方向輻射應(yīng)力Sxy沿程不變,沿岸流驅(qū)動(dòng)力為0,V=0(cos )EcnConstsincConst20 xywmdSf u V
17、dx0V 第五個(gè)假定:無(wú)限長(zhǎng)平直等深線,底坡均勻Snell定律bbHhDgDc 破波帶內(nèi):波浪破碎引起能量損失,波高減小 23 25sinsin 2()2161tanxyxybdSnSEgDdxcK1ta5nsin16bwVgDfcK1tan5sin8mbwVufKcos1sincConst1n20 xywmdSf u Vdx21813bK/2mbbugD5 52(1)對(duì)于均勻底坡,沿岸流V與當(dāng)?shù)貢r(shí)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:tan5s1in8wmbVfuK1ta5nsin16bwVgfcDK5 52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
18、破波點(diǎn)處流速最大 沿岸流平均流速(破波帶中點(diǎn)) 接岸處V=01tan5sin16lmbbwVufKmax1tan5sin8bmbbwVufK5 535 54破波帶內(nèi)沿岸流速經(jīng)驗(yàn)公式Komar和和Inman (1970) (1970) bmbluV sin7 . 2 bbmbluV cossin7 . 2 Komar (1975)修正為修正為 5 55美國(guó)海岸工程手冊(cè):美國(guó)海岸工程手冊(cè): 1 220.7tansin2lbbVgH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(diǎn)處:突變?側(cè)向紊動(dòng)動(dòng)量交換使得破波帶內(nèi)的沿岸流動(dòng)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
19、射波引起的沿岸流在現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室中都可觀測(cè)到破波帶外存在沿岸流,這種流是由側(cè)向紊動(dòng)動(dòng)量交換引起的,紊動(dòng)動(dòng)量交換促使破波帶內(nèi)沿岸流動(dòng)量向帶外橫向擴(kuò)散,發(fā)生流速再分布現(xiàn)象。 2()0 xywmedSdf u VdxdxxVD ( )111xyxybySTDxDxD()2wbymu VfxyeVTDx 1tanbwNKPfN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(duì)重要性 當(dāng)P趨于零時(shí)(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(shí),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(wú)限長(zhǎng)平直、均勻海灘。但實(shí)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21sin2yynESn/0y sin=0,cos=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(cuò)分布著沙壩和裂流溝,沙壩處水深小,裂流溝處水深大,
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