波流耦合作用下海岸動力研究課件

1近岸水流速度垂向分布海洋工程結構設計第一講波流耦合相互作用的研究意義近岸水動力環(huán)境涉及海岸資源開發(fā)、近岸環(huán)境保護及沿海濕地系統(tǒng)維護等的正確評估與論證;然而，由于近岸水動力環(huán)境要素之間的互制作用，形成一個多重時間空間尺度并存、兼具非均勻非恒定性的復雜系統(tǒng)，要準確完整地預報近岸水動力環(huán)境亟需深入開展研究;實際的海岸動力環(huán)境十分復雜，特別是兩大主要動力因子，波浪和水流的相互作用在河口海岸地區(qū)非常普遍，這種作用影響和控制著諸如河口海岸地區(qū)的泥沙輸移與岸灘演變以及海岸海洋結構物的動力載荷;因而波流相互作用問題一直是海岸動力學的研究熱點之一。流速剖面分布的研究意義波流相互作用屬非線性科學的前沿問題，特別是強非線性波與任意剖面流的互制機理仍不明確;水流存在時波浪要素的變化已有較成熟成果，而對水流存在時水流、波浪的內部結構變化認識仍存在不足;由于水流運動粘性的影響可以擴展到整個水深，而波浪邊界層只占水深的一小部分，所以低剪切率和低紊動度的水流運動對高剪切率和高紊動度的波浪邊界層影響要比波浪對水流運動的影響小得多;研究水流、波浪的內部結構變化關鍵在于探明波浪對于流速剖面的影響4近岸流沿水深分布對數分布速度零點高度：摩阻流速：卡門常數：床面粗糙度：水力光滑完全粗糙5近岸流沿水深分布對數分布速度零點高度：可理解為：水底凹凸表面的上邊緣，理論床面ChristoffersenandJonsson,19956床面粗糙度求解對數分布對數分布：水底幾厘米以上到20%~30%，再以上的水深呢？ChristoffersenandJonsson,19957近岸流沿水深分布1/7指數律分布（Soulsby,1990）潮流速度沿水深分布8水流中受力分析靜壓梯度粘性剪切力積分水底為水表剪切力為0坐標系9剪切應力與速度梯度關系Boussinesq假定流量時間平均紊流附加應力剪切應力合力渦粘系數湍流中的渦粘力10剪切應力與速度梯度關系剪切應力當下層速度小、上層速度大，脈動速度導致作用在下層上的剪切應力與水平速度方向相同、上層上的剪切應力與水平速度方向相反當下層速度大、上層速度小，脈動速度導致作用在下層上的剪切應力與水平速度方向相反，上層上的剪切應力與水平速度方向相同脈動速度引起的上下層流動存在動量交換所導致，稱為側混作用渦粘系數湍流中的渦粘力渦粘系數表達式與流速垂向分布（底層）底層底層剪切應力近似常數試驗關系完全水力粗糙流水力光滑（層流）渦粘系數渦粘系數表達式與流速垂向分布（中層）水力光滑（層流）水力光滑（層流）對數分布（光滑）渦粘系數渦粘系數表達式與流速垂向分布（中層）完全水力粗糙流對數分布（完全粗糙）渦粘系數渦粘系數表達式與流速垂向分布（上層）1/7指數律分布（Soulsby,1990）渦粘系數波浪對垂向渦粘系數與速度零點高度的影響考慮波浪的速度零點高度波流共存渦粘系數Nielsen,1992Sleath,1991波浪對垂向渦粘系數與速度零點高度的影響摩阻流速迭代求解公式波浪存在情況下的摩阻流速求解處波浪對邊界層厚度的影響例題已知波浪幅值和周期分別為A=0.5m，T=6s，距水底1m處水流速度u=0.45m/s，粗糙度0.0336m，求摩阻流速，F，Za和Sleath,1991Nielsen,1992波流共同作用海洋工程結構設計第二講波流共同作用流速剖面分布研究進展Kemp和Simons，Klopman分別進行過實驗研究;Grant和Madsen，Myrhaug和Slaattelid，Sleath,Malarkey和Davies等分別通過假設渦粘系數的垂向分布，將流速梯度與底部剪切應力建立聯(lián)系，采用特殊函數來分析求解波流相互作用下流速剖面；孫紅等從N－S方程出發(fā)，以波高、周期、水深、尼古拉茲常量、參考點位置和流速作為參數，用渦動粘滯系數模型封閉波流相互作用下的流動方程，提出了一個求解整個水深內的斷面流速分布的方法，求解摩阻流速和全水深的時均流速分布，并與實驗結果進行了比較；吳永勝等利用k-ε方程聯(lián)合求解了邊界層內外的波流運動，在理論上解釋了時均流速發(fā)生變化的機理，并將數值結果與已有的實驗結果做了較詳細的比較，該模型以線性波浪為基礎，針對線性波浪與水流之間的共同作用進行了討論；這些研究主要著眼于波流相互作用下底部運動特性對流速剖面的影響，

所得到的流速剖面在底部與實測資料吻合良好，而在波浪能量集中的上部卻存在明顯不足。

波流共同作用流速剖面分布研究進展Nielsen和You基于單位斷面積上總剪切應力的垂向變化和正應力的水平變化相平衡，采用線性波理論導得平均波作用項的表達式，建立了波流相互作用下水平平均流速的理論公式;Dingemans等人將波浪的影響處理成Craik-Leibovich渦的作用，發(fā)展了垂向二維的數值模式，用于解釋波浪作用引起歐拉平均水平速度剖面變化的機制;Groeneweg等人先后建立了1DV和2DV的廣義拉格朗日模型來研究波流相互作用下波浪對水平平均流速的影響，包括波浪產生的驅動力的直接影響和二次環(huán)流的間接影響;Uittenbogaard提出一個基于歐拉坐標系的1DV新算法，采用線性化的Poisson算子求解動水壓強的垂向分布，通過求解平均水流運動方程和質點軌跡分量模擬波流相互作用下的流速剖面。這些研究基于力的平衡討論波流相互作用下流速剖面變化，雖然得到的流速剖面與實測資料吻合較好，但是計算成果卻在很大程度上取決于所采用的經驗系數。綜上,波浪對流速剖面作用主要體現在非破碎浪致垂向混合破碎垂向混合三維輻射應力波流共同作用底部摩擦力流速剖面主要影響過程--垂向交換過程非破碎浪致垂向混合破碎浪致垂向混合三維波浪輻射應力波流共同作用底部摩擦力波流共同作用流速剖面分布研究進展

之

非破碎浪致垂向混合關于波浪對海洋上層水體的動量與物質垂向混合作用主要是通過波浪破碎直接增加湍能和非破碎波浪質點運動增加的湍流能及其再分布兩種方式Ezer依據Mellor-Yamada計算的波浪破碎湍流混合作用與非破碎波引起的浪致混合，比較后認為兩者的作用強度相當。波浪破碎湍流混合作用已被廣泛應用于海洋環(huán)流與混合模型，其作用機理已較為清楚；非破碎波致垂向混合目前主要集中在理論、試驗與數值研究階段，且主要研究非破碎浪致垂向混合作用下的垂向渦粘與渦擴散，對非破碎浪產生的湍流強度研究較少，隨機波和二階斯托克斯波對湍流強度及物垂向混合影響等問題研究鮮有報道

Along35NtransectinAug.WorldOceanAtlasWithwave-inducemixingWithoutwaveeffects

PacificAtlanticIndianPacificAtlanticAlong35StransectinFeb.VerticalTemperatureDistributions35N35SFromQiao’sWavebreakingenhancedturbulence(Craig&Banner,1994;Terray,E.A.etal,1996;LeNgocLY2000;Burchard&Karsten,2001;Mellor&Blumberg,2004)

non-deep-reachingmixingTurbulenceasaninteractionoftheStokesdriftwithwindandtideproducedcurrents(ArdhuinandJenkins,2006)

notcapabletoprovideintensiveanddeep-reachingmixingWave-currentinteraction(Xie2002,2003;ZhangDan2004;WuXiangzhongQingheZhang2005):Couplingofwaveandcirculationmodelsthroughradiation-stressthespatialgradientofthewaveenergyistransferredtoaccelerationofmeancurrents.ThisgradientissignificantonlyincoastalareasoroversandbanksSomerelatedworksaboutwave-turbulence-currentTheasymmetricpartofthewavemotionthatonlyconnectstoandinfluencesthemeanflowUdirectly(From:Burchardetal.,1999),thesymmetricaffectstheeddyviscositycoefficients:InitiationofthepresentworkTheories:Howdoeswaveaffectcirculationbyradiationstressorverticalmixing?29波動速度:波浪質點速度和質點湍流速度

ReynoldsstressReynoldsstressWaveEffectsWave-inducedstress流速:平均流速和波動速度30TheoriesofThree-dimensionalmodelGoverningequationsverticaleddyviscositycoefficientCurrent-inducedWave-inducedQiaoetal(2004)MonochraticNon-breakingwave-inducedverticalmixingPleskachevsky(2005):Qiaoetal(2004):

iswavemotionrelatedverticalmixing,wavebreaking’seffectsareignorediscalculatedbyturbulenceclosuremodelverticaleddyviscositycoefficientCurrent-inducedWave-inducedModelsetting:ThesimulationareashowedasFigure1.Theresolutionwasabout1000m,andhave94*100grids,dividedinto9layersintheverticaldirection.Timestepforthebarotropicmodelwas15s.

YellowRiverDelta:Inputwaveheight2.8mInputwaveperiod8s;M2,S2,O1,K1fortidalcurrentopenboundaryDischarge:500m3/sVerificationofmodelmodifiedbyintroducingwave-inducedverticalmixingVerticaldistributionofhorizontalvelocityofnumericalandanalyticresultsNumericalsimulationverificationofone-dimensionalmodelVerticaldistributionofhorizontalvelocityofnumericalandanalyticresultsNumericalexperimentsresultsofone-dimensionalmodelWave-inducedverticalmixingdecreasesthehorizontalvelocityandincreasesverticaleddyviscositycoefficient;Withwaveheightrisingfrom0.5mto2.5m,thefollowingphenomenaareshown:(1)thehorizontalvelocitydecreasesgraduallyabovemiddleofthewatercolumn.(2)Pleskachevsky’smethodcangenerateslowerhorizontalvelocityaroundsurface.(3)Verticaleddyviscosityincreases.(4)Pleskachevsky’smethodcangeneratelargerverticaleddyviscosityaroundsurface.Verticaldistributionofhorizontalvelocityandverticaleddyviscositycoefficient

Numericalexperimentsresultsofone-dimensionalmodelWithwaveperiodrisingfrom3sto9s,thefollowingphenomenaareshown:(1)thehorizontalvelocityfor6scasedecreaseswithlargestextentaroundsurface.(2)Pleskachevsky’smethodcangenerateslowerhorizontalvelocityaroundsurface.(3)Pleskachevsky’smethodcangeneratelargerverticaleddyviscosityaroundsurface.Verticaldistributionofhorizontalvelocityandverticaleddyviscositycoefficient

SalinityconcentrationintopandbottomlayerItisdifferentintopandbottomlayerinthetopfigure.Thesecondandthirdfigures,conversely.VerticalprofileofmeanvelocitywithinatideperiodRun1:velocitynearsurfacewasverylarge,butbelow2m,thevelocitywasveryslow.Run2:velocityincreasedto0.35m/s,andnearthecoastwithverticaluniformdistributionRun3:velocitydecreased,alsouniformdistributionintheverticalsection.Verticalprofileofmeansalinityconcentration

distributionwithinatideperiodWithoutwavemotion,therunoffwentfurthernearthesurface,butinthebelowwater,therunoffdidn’tdiffusesolongdistance.Run2:therunoffisonlynearthecoastwithinthedistanceof3000m.Run3::therunoffdiffusionwasmoreuniformthanthefirsttwocases.ContoursofmaximumvelocityRun1andrun2’smaximumvelocitywas0.5m/sandappearedinthewatersurface,butthedistanceofthemaximumvalueoffthecoastwasdifferent,Run2:withwaveinducedcurrentthemaximumvelocitywasnearthecoast.Run3:themaximumvelocitydecreasedto0.25m/s,andthedistributionwasuniform.Contoursofmaximumsalinityconcentration

distributioninatideperiodRun1:thedistanceofrunoffdiffusionwasdifferentinthesurfaceandbottom,freshwaterwentfurtheratsurfacelayer.Run2:therunoffisinhibitedbytheradiationstressgradientforce.Run3:thefreshwaterdistributeduniformlyinverticalsectionandgoesfartherthanrun2三維波浪輻射應力海洋工程結構設計第三講43輻射應力原理流體對管壁的作用力44輻射應力原理?三斷面流量動量與動壓力大小關系伴隨著波浪破碎引起的波高衰減,波浪運動量也將減小,減小的動量轉化為波浪對流體的作用力;周圍流體也將對波浪產生作用力,維持波浪動量減小45周圍流體對波浪產生作用力的兩種形式通過改變平均水平面產生的流體靜壓力通過產生平均水流,由水流產生水底摩擦力來維持波浪動量的減小46微幅波的動量流和輻射應力波浪輻射應力c(Pz+rho.u2)zZ=0X=costxy47微幅波的動量流和輻射應力微幅波中的切向輻射應力波浪傳播方向與x軸一致:波浪傳播方向與x軸成:48簡化后的近岸流方程（水深平均）波浪條件穩(wěn)定風速小假定1）：假定2）：考慮垂向變化的輻射應力(鄭金海，2001)考慮垂向變化的輻射應力(鄭金海,2001)考慮垂向變化的輻射應力(鄭金海,2001)

-h≤z≤-H/2考慮垂向變化的輻射應力(鄭金海,2001)考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)垂向動量方程包含相同水質點的任何曲面忽略非線性、底摩阻t0時刻等勢面考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)Leibuniz積分規(guī)則Z處水體壓力Z處水體壓力平均值考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)忽略粘滯項運動學邊界條件Z處水體壓力平均值：平均水平面恒定考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)曲面下水體的水平方向剩余動量流周期平均考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)曲面下水體的水平方向剩余動量流周期平均考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)曲面下水體的水平方向剩余動量流周期平均考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)++60考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan,2004)考慮垂向變化的輻射應力(XiaHuayong)Louget-Higgins提出的形式垂向坐標變換：考慮垂向變化的輻射應力(XiaHuayong)輻射應力垂向分布表達式動水壓力與動量流和動水壓力與動量流全周期積分單位面積的動水壓力與動量流考慮垂向變化的輻射應力(XiaHuayong)考慮垂向變化的輻射應力(XiaHuayong)考慮垂向變化的輻射應力(鄭金海)考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan;XiaHuayong)考慮垂向變化的輻射應力(ZhangDan;XiaHuayong)考慮垂向變化的輻射應力(Mellor,2003,2005)考慮垂向變化的輻射應力(Mellor,2003,2005)波流共同作用流速剖面分布研究進展

之

三維波浪輻射應力在現有的關于波流相互作用的研究中，尚未考慮波浪輻射應力的影響，這是造成上述不足的重要原因;波浪輻射應力的概念是由Longuet-Higgins和Stewart首先提出的，能夠反映波浪和水流相互作用時的能量交換，波流相互作用研究中得到廣泛的應用;鄭經海等應用線性波理論，將垂向考察區(qū)域分為波谷以下部分、波谷至平均水面部分以及平均水面以上部分，分段推求得到波浪剩余動量流沿水深分布函數，建立了任意波向角時波浪剩余動量流各分量的計算表達式，給出深水及淺水條件下的漸近表達式:研究表明波浪輻射應力各分量沿水深并非均勻分布，而且各分量垂向變化情況不盡相同，波浪輻射應力主分量在垂向上還存在反向變化的現象;有學者從N-S方程出發(fā)，建立了基于線性波輻射應力垂向分段均勻變化的三維波生近岸流模型，計算結果較好地復演了實驗室的波生近岸流流場狀況，模型中并沒有考慮波流相互作用。波流共同作用流速剖面分布研究進展

之

三維波浪輻射應力在現有的關于波流相互作用的研究中，尚未考慮波浪輻射應力的影響，這是造成上述不足的重要原因;Xia(夏華永)等認為輻射應力的垂向分布是在不同水深處波浪周期平均的剩余動量流和水動壓力之和，他們在微幅波理論假定下，忽略粘性系數和波陡的高階項，并假定海底水平推導出了垂向三維輻射應力;Zhang從三維N一S運動方程出發(fā)，并假定水的密度為定值，忽略水的粘滯性、非線性項和摩擦項，推導出了不同的垂向三維輻射應力分布，并討論了輻射應力的垂向變化，在三維POM模型中計入輻射應力的垂向變化，計算了近岸波生沿岸流;吳相忠比較了Xia，Zhang，鄭金海推導的線性波作用下的輻射應力理論計算結果并引入Zhang的理論進行三維流場的數值模擬。這些研究為進一步研究輻射應力垂向結構奠定了堅實的基礎,但都忽略了波浪的非線性。然而實際情況波浪常以二階Stokes波形式出現，但卻未見有關二階Stokes波作用下的輻射應力垂向分布表達式的研究報道有學者計算分析有限振幅波輻射應力垂向變化特性，從N—S方程出發(fā)，建立反映波浪輻射應力垂向變化的波流相互作用垂向二維數值模式，在實驗數據驗證的基礎上，通過比較與采用沿水深均勻分布的波浪輻射應力計算結果的差異，討論波浪輻射應力垂向變化對波流相互作用流速剖面的影響程度和影響機制，嘗試從一個新的途徑探討波流相互作用的非線性機制;就波流相互作用的本質是三維狀況而言，今后發(fā)展在于研究和揭示波流相互作用的機理，發(fā)展和完善三維數值模式。通過研究波浪輻射應力垂向變化對波流相互作用下流速剖面的影響，建立反映波浪輻射應力垂向變化的波流相互作用垂向二維數值模式，達到揭示波流相互作用流速剖面的變化規(guī)律及其影響機制的目的，為建立模擬波流相互作用三維狀況的數值模型、進而開展破波帶內底部反向流、離岸水下沙壩的成因以及波流共存場的泥沙運動和污染物輸移過程等方面的研究打下基礎;研究波浪輻射應力垂向變化對波流相互作用下流速剖面的影響不僅具有重