沙垄和沙波非线性演化特征研究

沙垄和沙波是陆地河流和海岸河口的常见水底泥沙堆积形态,其形态和演变涉及水流和地形之间很强的非线性作用,导致其产生、演化和形态特征的研究存在较大难度,所以沙垄和沙波的演化特征一直是河流动力学和海洋科学中重要研究课题。采用特征线方法给出了沙垄和沙波剖面形态特征和演化速度随Froude数和其幅值的变化特征,分析了地形坡度项和水底摩擦项对沙垄和沙波演化特征的影响,结果表明,沙垄和沙波剖面的演化受地形演化方程的非线性影响较大,后者所导致的剖面形态都是沿顺流方向倾斜,其不因沙波是逆流迁移而改变,这与线性理论的结果不同。该演化特征也受到Froude数,水底坡度和水底摩擦的显著影响。这些结果可以为沙垄和沙波的数值模拟分析提供理论参考。     

海岸破波带内悬沙空间分布试验研究和解析表达式

关于海岸破波带内悬沙浓度水平和垂向分布的研究对于计算海岸输沙率和地形演变具有重要意义。本研究进行了规则波、波群和不规则波三种波浪情况破波带内悬沙浓度的水平和垂向分布的试验测量。试验在大尺度波浪水槽进行,接近实际海岸波况尺度。给出了破波带内多断面悬沙垂向分布的细致测量结果,并以此为基础给出了预报实际海岸破波带内悬沙浓度水平和垂向分布解析表达式,讨论了形成这些分布的物理原因和不同波况、不同破波带区域对分布的影响。     

A Time-Domain Coupled Model for Nonlinear Wave Forces on A Fixed Box-Shaped Ship in A Harbor

A 2-D time-domain numerical coupled model is developed to obtain an efficient method for nonlinear wave forces on a fixed box-shaped ship in a harbor.The domain is divided into an inner domain and an outer domain.The inner domain is the area beneath the ship and the flow is described by the simplified Euler equations.The other area is the outer domain and the flow is defined by the higher-order Boussinesq equations in order to consider the nonlinearity of the wave motions.Along the interface boundaries between the inner domain and the outer domain,the volume flux is assumed to be continuous and the wave pressures are equal.Relevant physical experiment is conducted to validate the present model.It is shown that the numerical results agree with the experimental data.Compared with the coupled model with the flow in the inner domain governed by the Laplace equation,the present coupled model is more efficient and its solution procedure is more simple,which is particularly useful for the study on the effect of the nonlinear wave forces on a fixed box-shaped ship in a large harbor.     

沿岸流不稳定运动研究进展

沿岸流不稳定运动目前已成为一个研究热点,对于沿岸流不稳定的研究对于近岸泥沙、污染物输移以及海岸养护等都有很重要的意义。本文详细介绍了沿岸流不稳定运动的研究进展,具体包括沿岸流不稳定运动现场以及实验室实验研究进展,沿岸流线性不稳定理论,非线性不稳定理论以及沿岸流不稳定运动产生的其它理论分析。结果表明国外对于该问题的研究(主要是有关不稳定理论方面)已经取得很多成果,但国内目前很少,并且现在对沿岸流不稳定研究比较成熟的理论基础是不稳定理论,该理论都假定增长率最大的不稳定模式决定着沿岸流的波动特性。但对于多模式不稳定运动的研究还基本没有,对于沿岸流不稳定运动三维特性的研究(包括数值研究及实验研究)也基本没有报道。所以这两个方面可能是以后对该问题研究的重要方向。     

海岸沙坝剖面和滩肩剖面特征研究

通过物理模型实验研究了海岸沙坝剖面和滩肩剖面的形成和演化过程,给出了稳定的沙坝剖面和滩肩剖面的几何特征。实验中考虑了两种初始坡度(1∶20和1∶10)和不同波高的规则波和不规则波,讨论了不同初始坡度海岸上破碎波空间分布特征。结果表明,沙坝产生后存在向岸和离岸两种运动形态,但最终将停留在稳定位置。稳定的沙坝剖面对应不同初始坡度和波浪存在不同的大沙坝和小沙坝分布。沙坝剖面由长时间小波高波浪序列作用后可转化为稳定滩肩剖面,该剖面不依赖于波浪和初始坡度。实验也给出了平衡剖面与理论曲线的对比以及剖面上泥沙粒径的分布。     

海岸裂流的研究进展及其展望

近岸裂流是海岸工程和海岸演变中非常重要的动力因素,对污染物排放和游泳者安全有很重要的意义。详细回顾了国内外对海岸裂流方面的研究与进展,具体包括对裂流的实验室实验和现场观测测量技术、理论分析、裂流的形成机理以及数值模拟等方面,概述了该领域的研究现状与发展趋势。总结了已有研究存在的不足,提出了需要进一步研究的课题。     

平直沙坝海岸叠加波浪的裂流试验

为研究叠加波浪场的裂流特征,在平直沙坝海岸地形进行了叠加波浪形成的沿岸波高周期性变化的裂流试验研究。试验中叠加波浪是由波浪在垂直岸线的丁坝反射所形成的两列交叉波浪叠加产生,交叉波浪是具有等频率但入射角相反的两波列。通过对叠加波浪节腹点垂直岸线位置浪高的测量和沙坝范围内沿岸布置的声学多普勒测速仪流速测量结果来分析沙坝海岸丁坝反射波形成的裂流特性,讨论了波浪节腹点对裂流位置和裂流空间尺度的影响。对不同周期情况在x=5 m沙坝顶处的速度剖面对比,分析了不同周期对裂流的影响。     

适合中等水流的Boussinesq方程

推导了含量阶为O(ε1/2)的瞬变非均匀流的Boussinesq水波方程,讨论了该量阶水流对流场速度和压力分布的影响,采用了Crank-Nicolson格式的预估-校正有限差分法对该方程进行了数值求解.把数值结果与无水流情况的实验结果进行了对比,验证了该方程和数值计算方法的有效性,与经典的Boussinesq方程和含量阶为O(1)的瞬变非均匀流的Boussinesq水波方程的计算结果进行了比较,考察了该方程的适用范围.     

沿岸流非线性不稳定特征数值研究

当不稳定剪切波的波幅达到有限幅值之后,需要用非线性不稳定模型来分析沿岸流不稳定运动特征。本文通过建立并验证沿岸流非线性不稳定数学模型,在讨论该模型参数对沿岸流不稳定影响的基础上,率定实验中的模型参数并利用该数学模型模拟了实验中沿岸流不稳定的发展过程及其特征,主要结论有:（1）底摩擦系数越小,侧混系数越小,不稳定发生的时间越早,不稳定的波动幅值越大;（2）沿岸流非线性不稳定演化可能出现的5个阶段（线性阶段、倍周期阶段、大周期阶段、波群阶段以及不规则阶段）,实验中出现的沿岸流通常处于线性阶段或非线性倍周期阶段,倍周期阶段的涡旋是由线性阶段的涡旋发生追赶、配对直至合并产生的。涡旋配对以碰撞的形式发生,大部分能量转移至追踪波,然后以较慢的涡旋速度沿岸传播。     

海岸沙坝近底悬移质通量实验研究

为了研究海岸沙坝的产生和演化机理,对不规则波和波群作用下沙坝上方的近底悬移质通量进行了实验研究。分析了短波、长波和平均水流对悬移质通量的影响。结果表明:各种波况下平均水流和长波的作用始终使泥沙向离岸方向输移,而短波的作用使泥沙向岸方向运动;平均水流引起的泥沙输移始终占主要成分,长波的次之。不规则波情况下平均水流的影响较规则波的情况相对较弱,三种成分对泥沙输运的贡献属于同一量级。波群情况下长波的影响随着波浪群性的增强而加大,短波的不明显,而平均水流的影响则随着波浪群性的增强而减弱。