【摘要】：沙壩是沙質(zhì)海灘的重要組成部分之一。在近岸水域內(nèi),沙壩的存在會使波浪在離岸較遠(yuǎn)的地方發(fā)生破碎,以減少波浪對岸灘侵蝕,對海岸起到了一定的保護(hù)作用。但目前為止,沙壩產(chǎn)生的機(jī)理和演化規(guī)律仍不清楚。近年來,研究沙壩產(chǎn)生和演化規(guī)律已成為海岸工程的一個重要課題,這對研究海岸的演化、防止海岸的沖刷等都具有重要意義。本文通過一系列的物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對海岸沙壩的產(chǎn)生和運(yùn)動進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容包括： (1)進(jìn)行了海岸沙壩產(chǎn)生和運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)?zāi)M,研究了規(guī)則波、波群和不規(guī)則波作用下近岸沙壩產(chǎn)生和運(yùn)動的特征。針對沙壩產(chǎn)生的機(jī)理和不穩(wěn)定性運(yùn)動,對不同波浪形態(tài)(規(guī)則波、波群和不規(guī)則波)作用下產(chǎn)生的海岸剖面形態(tài)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在某種波況下,沙壩運(yùn)動呈向岸、離岸的往復(fù)運(yùn)動,而不是持續(xù)向一個方向的運(yùn)動。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,也進(jìn)一步表明,沙壩運(yùn)動不是海床對波浪作用的被動響應(yīng),而是更接近于一種海床和波浪之間的相互作用。文中還探討了波群調(diào)制系數(shù)對沙壩運(yùn)動的影響,以及不同波況對海岸剖面形態(tài)的影響。通過對沙壩速度的分析,進(jìn)一步討論了多種波況作用下沙壩的不穩(wěn)定運(yùn)動。最后,通過對這種不穩(wěn)定運(yùn)動的分析,并結(jié)合線性不穩(wěn)定的理論,給出了一個初步的理論解釋,定性的分析了所觀測到的往復(fù)運(yùn)動是一種海床剖面不穩(wěn)定性導(dǎo)致的運(yùn)動。 (2)通過對海岸沙壩運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的分析可知,本文實(shí)驗(yàn)所涉及的海岸屬于耗散性海岸,即近岸低頻波的影響不可忽視。在波浪條件下,低頻波浪對近岸泥沙運(yùn)動的作用是不容忽視的。為了便于研究低頻波浪傳播的特性,并且方便驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型中波浪模塊對低頻波浪的模擬結(jié)果,我們也進(jìn)行了一系列的低頻波模型實(shí)驗(yàn)研究。低頻波浪的模型實(shí)驗(yàn)研究包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�、儀器布置、雙波群的生成和實(shí)驗(yàn)波況,著重分析了所產(chǎn)生低頻波浪的特征,包括反射低頻波個數(shù),時間尺度和大�。煌茖�(dǎo)了包含坡度、入射波周期、短波數(shù)和波幅的無因次指標(biāo)M,用于預(yù)測反射低頻波個數(shù)。 (3)在數(shù)值模擬方面,本文中分別采用兩種數(shù)學(xué)模型對近岸水動力進(jìn)行了模擬計(jì)算,即波浪平均模型(Wave-averaged model)和短波相位識別模型(Phase-resolving model)。 波浪平均模型的控制方程通過將歐拉方程在短波周期上進(jìn)行平均得到,然后采用WAF方法進(jìn)行求解,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。在破碎區(qū),波浪平均計(jì)算模型在短波能量的計(jì)算方面存在一些誤差,主要是由于波浪方程中對耗散項(xiàng)的近似表達(dá)引起,也可以由此解釋低頻波浪波面升高的誤差由來,即耗散項(xiàng)的近似表達(dá)影響了輻射應(yīng)力的計(jì)算精度,因而影響低頻波浪的波面升高。為了更精確的模擬波浪破碎后的低頻波波面升高和能量,除了短波平均模型外,我們還采用了短波相位識別模型,即Boussinesq型模型對低頻波模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。模型的控制方程采用簡化的四階弱非線性方程和二階完全非線性方程。 通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比,分別驗(yàn)證兩種模型對低頻波浪的模擬效果及精度。雖然波浪平均模型在精確性上不如短波相位識別模型,但是該模型可以單獨(dú)考慮長波對于近岸輸沙的作用,因此,也是本文研究的一個主要內(nèi)容。而短波相位識別模型的模擬精度更高,且能對短波與低頻波浪相互作用進(jìn)行模擬,有更廣泛的適用性。 (4)海底形態(tài)的數(shù)值模型包括：計(jì)算驅(qū)動力的水動力模型、計(jì)算輸沙通量的泥沙模型以及地形變化模型之間的耦合。模型主要采用基于能量考慮的BBB輸沙公式及其修正形式；對海岸變形方程的數(shù)值求解采用了由Long推導(dǎo)的Euler-WENO格式。 (5)將波浪平均模型應(yīng)用于海岸演變的數(shù)值模擬。將其與近岸輸沙和海岸變形方程相耦合,對海岸地形的演變進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比表明：該模型可以模擬出海岸侵蝕,但不能較好的模擬初始直線型斜坡上近岸沙壩的產(chǎn)生過程。模擬內(nèi)容包括波群及不規(guī)則波作用下的沙壩離岸運(yùn)動過程,討論了短波、長波和平均水流共同作用及單獨(dú)作用下的沙壩運(yùn)動情況。 (6)將短波相位識別模型應(yīng)用于海岸演變的數(shù)值模擬。將其與輸沙和海岸變形模型相耦合,對規(guī)則波、波群和不規(guī)則波作用下沙壩的產(chǎn)生和運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：在不同波浪作用下沙壩的產(chǎn)生位置的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好；沙壩的產(chǎn)生主要是由于波浪破碎及其所產(chǎn)生的海底回流所引起的,海底回流所導(dǎo)致的輸沙率在空間梯度上的變化是沙壩產(chǎn)生運(yùn)動的主因。該模型對于預(yù)測海岸侵蝕以及沙壩離岸運(yùn)動能達(dá)到很好的結(jié)果,并且能夠?qū)崿F(xiàn)對次級沙壩的模擬。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：P731.22

【參考文獻(xiàn)】

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1 楊秉正 ,楊藝潔;最大熵法海浪譜估計(jì)[J];重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào);1986年01期

2 馮硯青,陳子q

本文編號：2754475