深海島礁的礁面非常陡峭,水深一般從礁底處的幾千米急劇變化到礁緣上的幾米。波浪沿礁面發(fā)生淺水變形并在礁緣或礁坪上破碎,進而在礁坪上產(chǎn)生波浪增水、波生流及次重力波等現(xiàn)象。深海島礁地貌特征的不同將導(dǎo)致其水動力特性與大陸沿岸緩坡地形上的岸礁有明顯的差異。此外,由波浪破碎產(chǎn)生的波生流對于礁坪上泥沙運動、養(yǎng)分輸移和生物棲息也有很大的影響。因此,掌握深海島礁相關(guān)的水動力特性,對島礁后續(xù)的開發(fā)和保護均具有重要的指導(dǎo)意義。本文建立了一個能夠較準(zhǔn)確描述波浪在深海臺礁上傳播變形過程的SPH數(shù)值模型。模型采用Favre平均N-S方程作為控制方程,并采用亞粒子湍流應(yīng)力封閉方程。數(shù)值水槽左右兩側(cè)邊界采用周期性邊界條件代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的固壁邊界條件,并在水槽兩端消波層下方預(yù)留水流通道。臺礁地貌概化為坡度1:1的斜坡和高度為1.8 m的水平礁坪。最后為了驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,在非線性波浪水槽中開展了相應(yīng)的物理模型試驗。SPH模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好,說明該數(shù)值模型可以較好地重演波浪在深海臺礁上的傳播變形過程以及礁坪上波高以及波浪增水的空間分布特征。在水槽左右兩側(cè)采用周期性邊界和預(yù)留水流循環(huán)通道,能夠有效解決傳統(tǒng)豎向二維數(shù)值模型中由于礁坪上越浪引起的瀉湖內(nèi)水面非物理性抬高問題,大大提高計算精度。從物理模型試驗結(jié)果和SPH模擬結(jié)果均可以看出,由于波浪破碎,礁坪上波高迅速衰減,在低水位時波浪在礁緣前破碎,而在高水位時波浪在礁緣后破碎。在破碎帶內(nèi),波能大量耗散,波高驟減。在破碎帶外,破碎停止,重新生成的段波波高沿礁坪繼續(xù)向前傳播時逐漸衰減。波浪傳播至礁面時產(chǎn)生輕微的波浪減水,隨后波浪破碎產(chǎn)生明顯的波浪增水現(xiàn)象。波浪增水高度在破波帶內(nèi)迅速增加,在破波帶末端達到最大值,并在破波帶外的礁坪上保持大致恒定。對于靠近外海的礁坪前半部分,垂向平均流速從底邊界到靜水位緩慢增加,而在礁坪后半部分,靜水面以下,平均流速保持恒定,這是因為重新生成的段波波高很小,對波生流的垂向流速分布影響很小。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P731.22

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 姚宇;杜睿超;袁萬成;蔣昌波;;珊瑚岸礁破碎帶附近波浪演化實驗研究[J];海洋學(xué)報;2015年12期

2 姚宇;袁萬成;杜睿超;蔣昌波;;岸礁礁冠對波浪傳播變形及增水影響的實驗研究[J];熱帶海洋學(xué)報;2015年06期

3 柳淑學(xué);劉寧;李金宣;方亞冰;劉思;;波浪在珊瑚礁地形上破碎特性試驗研究[J];海洋工程;2015年02期

本文編號：2813076