考虑床面粗糙度的溃坝波和非破碎孤立波水动力特性研究

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研究溃坝水流和波浪爬高过程的水动力特性,对制定合理的防灾减灾策略和保护人类生命财产安全具有重要意义。对于溃坝波波前区域的理论研究,学者们对水平流速的垂向分布尚未形成统一认识,推导得到了不同的理论模型。对于非破碎孤立波爬高,部分研究分析了底床摩阻的影响,但对于底床摩阻效应与斜坡坡度和床面粗糙度之间定量关系的认识尚不清楚,对于其机理机制的研究还不够深入。本文通过理论研究和物理实验,分析了溃坝波沿水平粗糙干床传播和非破碎孤立波沿不同粗糙度斜面爬坡过程的水动力特性,揭示了底床摩阻对上述水动力要素的影响机理。首先,本文通过理论推导得到了溃坝波沿水平粗糙干床传播时波前区域的水动力特性。本研究考虑波前区域边界层完全发展,假设水平流速沿垂向呈抛物线分布,分别基于简化的受力平衡方程和水平方向动量方程,建立了两种不同的溃坝波前区域水动力过程的理论模型。简化的受力平衡模型展示了波前水深h与距波尖距离s之间的关系为h~s1/3。基于更为完善的水平方向动量方程模型则可以描述介于h~s1/3和h~s1/2之间的隐函数形式的波前形态。与其他模型相比,动量方程模型与实验结果吻合得最好,能够更为准确地描述溃坝波波前区域的水体表面形态。同时,本研究还分析了底床摩阻和波前流场等水动力要素的时空分布特征。本文的理论解表明,波前区域自由液面处的水质点以相同的水平速度向前运动,垂向流速沿床面向上单调增大,且越靠近波尖,垂向流速越显著。本理论模型可以再现实验中观测到的波前区域水体向波尖汇聚的现象。其次,本文通过物理模型实验探究了床面粗糙度对非破碎孤立波爬高的影响。实验结果表明,在非破碎孤立波爬高过程中,岸线移动速度先增大后减小,冲流前部水体的自由液面由向岸倾斜逐渐变化为向海倾斜,后部水体的自由液面始终表现为向海倾斜。对于不同坡度条件,底床摩阻对孤立波爬高的影响不同。当来波波高相同时,非破碎孤立波沿10°斜坡砂纸床面的最大爬高小于不锈钢床面,而沿45°斜坡不同床面的爬高高度相同。通过分析爬高历时、岸线移动、爬坡形态和最大爬高等水动力要素,本研究发现,当坡度增大时,斜坡上冲流水体水深增大,底床摩阻作用力减小,且作用距离缩短,能量耗散减小,从而使床面粗糙度对水体运动的阻碍作用减弱。在此基础上,通过引入爬高相似参数,本文分析了无量纲最大爬高与坡度、来波波高和床面粗糙度之间的定量关系。在Synolakis(1987)非破碎孤立波爬高理论解的基础上,本文提出了新的包含增强因子和折减因子的最大爬高经验公式,该公式能够更为准确地预测非破碎孤立波沿不同坡度不同粗糙度斜面的最大爬高。
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