近岸波浪引起的水流和二阶长波

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波浪是海岸工程中非常重要的动力因素之一,对于建筑物的安全和造价有着显著的影响。由波浪产生的近岸流场的变化和水面的长周期振荡,导致泥沙迁移,港口共振,船舶失事,污染扩散,海上救生困难,这些都已经引起了科研工作者的广泛重视。 本文建立了将沿水深积分平均的平面波生流方程和求解波生流垂向结构的二维方程与非线性抛物型近似缓坡波浪折射-绕射传播方程相结合的完整的准三维的近岸波浪引起的水流及其长波的模型。文章首先从Navier-Stokes方程出发,在水质点速度u_i=平均流速U_i+振荡流速(?)_i+紊动流速U_i′和水体自由表面高度ξ=平均高度(?)+谐振动高度(?)+紊动高度ξ′的假定下,给出了包括底摩阻、自由表面切应力、波能量损耗(增长)等因素在内的平均波浪能量方程和广义波作用守恒方程以及平面波生流方程;进而在波生流的垂向结构计算方面,将Faria和Stanton(1995)的弱沿岸流假定与Vriend和Stive(1987)关于波浪引起水流由基本流和次流组成的假定相结合,提出了修正的Vriend- Faria法。这种方法减少了Vriend等人方法的计算工作量和提高了Faria等人方法的计算精度;然后给出了辐射应力、水底切应力、自由表面切应力、雷诺应力等几个对近岸波浪引起水流有重要影响的作用力的确定方法,还给出了几种典型条件下的一些计算公式。接着以非线性的抛物型近似波浪缓坡方程为基础,提出了扇形坐标下的波浪传播模型,模型包括了风、底摩阻、波浪破碎等因素的影响,可以用于大水域的波浪场的确定;文章最后介绍了一些计算算例。算例表明,尽管有些水域在工程前波浪并没有产生较明显的近岸流,但工程对此的影响可能会很大,这对于建筑物附近的泥沙输移、局部冲刷的研究是重要的,在工程中应引起重视。
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