对于在周围潮流影响下约束长波缓坡中传播研究

1、Tital：Experimental study of the transformation of bound long waves over a mild slope with ambient currents对于在周围潮流影响下约束长波缓坡中传播的研究Contents研究背景研究背景1实验装置和分析方法实验装置和分析方法 2实验结果分析实验结果分析 3结论结论4研究背景 在近岸区的长波运动的意义已得到公认。长波属在近岸区的长波运动的意义已得到公认。长波属于浅海波，周期在于浅海波，周期在30秒和秒和300秒之间，这通常在秒之间，这通常在文献中被称为亚重力波。长波最先是由文献中被称为亚重力波。

2、长波最先是由Muk 和和Tucker博士描述的。这些初步的观察发现博士描述的。这些初步的观察发现,在最在最近几年长波浪研究已获得了高度的关注。从海岸近几年长波浪研究已获得了高度的关注。从海岸工程的观点，长波浪是海岸工程设计中的重要因工程的观点，长波浪是海岸工程设计中的重要因素。这些引力波同时对近岸形态和港口共振诱导素。这些引力波同时对近岸形态和港口共振诱导(德德Girolamo,1996)以及大型振荡的船只停泊以及大型振荡的船只停泊等有显著的影响。等有显著的影响。 研究背景 一般情况下有两个主要的生成长波浪的机制。一一般情况下有两个主要的生成长波浪的机制。一是由非线性相互作用的入射短波和约束短

3、波组诱是由非线性相互作用的入射短波和约束短波组诱导的长时波（朗古特和斯图尔特，导的长时波（朗古特和斯图尔特，1962）。约）。约束波通常被假定是短期波动断裂后释放的自由波束波通常被假定是短期波动断裂后释放的自由波。然后这些长的自由波传播向更远的海岸并由海。然后这些长的自由波传播向更远的海岸并由海岸反射继续传播。这个理论被实际观测数据和实岸反射继续传播。这个理论被实际观测数据和实验室数据同时证实。验室数据同时证实。 研究背景 其他产生自由波机制是由于短波随时间变化出现其他产生自由波机制是由于短波随时间变化出现断点情况。断点情况。Kostense的实验结果及他人对于平的实验结果及他人对于平坡的研究

4、证实了波浪海滩运动断点的理论。此外坡的研究证实了波浪海滩运动断点的理论。此外，一列长波也可以被视为双方的结合机制。，一列长波也可以被视为双方的结合机制。Attjes等人认为，岸滩坡度可能在近岸区对发挥等人认为，岸滩坡度可能在近岸区对发挥作用的约束长波和长波断点产生的低频能量的相作用的约束长波和长波断点产生的低频能量的相互作用起到重要作用。互作用起到重要作用。 研究背景 以往的工作只集中在对长波在静水情况下的研究以往的工作只集中在对长波在静水情况下的研究。然而，在实际海况下存在潮流范围超过了广泛。然而，在实际海况下存在潮流范围超过了广泛的时空尺度，尤其是在水流很强的潮汐汊河口的的时空尺度，尤其是

5、在水流很强的潮汐汊河口的入口。由离岸风引起的面波传播到沿海地区，在入口。由离岸风引起的面波传播到沿海地区，在那里对潮流波的影响很大。为了获得对长波更深那里对潮流波的影响很大。为了获得对长波更深入的研究，必须要考虑潮流的影响。入的研究，必须要考虑潮流的影响。 研究背景 早期研究波流相互作用的综述已经被早期研究波流相互作用的综述已经被 Peregrine和和Klopman 整理出详细的文件。整理出详细的文件。然而，潮流产生约束长波的影响直到现在尚未被然而，潮流产生约束长波的影响直到现在尚未被大众所周知的。因此本研究的动机，是对潮流的大众所周知的。因此本研究的动机，是对潮流的影响一种。在我们的研究中

6、，持久的初级长波是影响一种。在我们的研究中，持久的初级长波是由双波群作用作在缓坡上产生的。接下来和相对由双波群作用作在缓坡上产生的。接下来和相对深度均匀潮流的产生和传播的约束长波的影响是深度均匀潮流的产生和传播的约束长波的影响是通过精确控制的实验研究而得出的。通过精确控制的实验研究而得出的。 实验装置和分析方法 波浪水槽和仪表波浪水槽和仪表 本实验在实验室的波浪水槽里进行。水槽长本实验在实验室的波浪水槽里进行。水槽长50米米，宽，宽3米，深米，深1米。在本研究中使用的水深是米。在本研究中使用的水深是0.5米。实验装置下图所示。米。实验装置下图所示。 实验装置和分析方法图1 实验装置简图 （a）

7、立面图 （b）平面图实验装置和分析方法 水槽为液压驱动，活塞式波发生器位于水潮的一水槽为液压驱动，活塞式波发生器位于水潮的一端，以及吸波材料在波的另一边。轴线起始点位端，以及吸波材料在波的另一边。轴线起始点位于挡浪板上，沿着另一端的方向数值逐渐增加。于挡浪板上，沿着另一端的方向数值逐渐增加。一个光滑，不透水平面海滩装置被安装在水槽的一个光滑，不透水平面海滩装置被安装在水槽的底部。海滩是一个（底部。海滩是一个（1 : 60）缓坡与一个一米长）缓坡与一个一米长斜坡（斜坡（1 : 20）连接而成。海滩通过一个水平段）连接而成。海滩通过一个水平段结束，从而减轻波反射的影响结束，从而减轻波反射的影响 。

8、 实验装置和分析方法 上文中提到，有上文中提到，有2个主要产生自由长波的机制：个主要产生自由长波的机制：一是初级波破碎后释放的约束长波，另外一个是一是初级波破碎后释放的约束长波，另外一个是波在运动中的破碎。因此，自由的长波浪的只在波在运动中的破碎。因此，自由的长波浪的只在初级波破碎和海岸线附近岸波强烈反射的情况下初级波破碎和海岸线附近岸波强烈反射的情况下产生。产生。实验装置和分析方法 本实验装置只是复杂现实情况的简化。向岸水平本实验装置只是复杂现实情况的简化。向岸水平地区平面缓坡水深为地区平面缓坡水深为0.25米，能够满足入射波在米，能够满足入射波在通过在海滩的过程中不会在静态水中破碎。因此通

9、过在海滩的过程中不会在静态水中破碎。因此，可以保证移动破碎机制是不会发生的，而会产，可以保证移动破碎机制是不会发生的，而会产生少量预想中的岸滩反射长波。生少量预想中的岸滩反射长波。实验装置和分析方法 根据根据three-gauge method (Mansard and Funke)，对于所有的波浪，海岸的反射系数都，对于所有的波浪，海岸的反射系数都是小于是小于2%。此外，大多数反射长波在经过陡坡。此外，大多数反射长波在经过陡坡反射后被波吸收装置吸收。但仍然会有少量长波反射后被波吸收装置吸收。但仍然会有少量长波将到达造波水槽中，但反射程度明显减轻。将到达造波水槽中，但反射程度明显减轻。实验装置

10、和分析方法 Brevik 和和 Trondheim (1980)最早发现，一最早发现，一个有着相对较小的宽度个有着相对较小的宽度/高度比的水槽在当前的高度比的水槽在当前的领域下已能形成稳定性好的波形。为此，水槽的领域下已能形成稳定性好的波形。为此，水槽的玻璃墙是分成两种宽度分别为玻璃墙是分成两种宽度分别为0.8米和米和2.2米，从米，从=1.5米处的宽度一直到另一侧顶点。狭窄的米处的宽度一直到另一侧顶点。狭窄的0.8米宽部分被选为工作段。因此，在本次试验米宽部分被选为工作段。因此，在本次试验研究中宽高比，研究中宽高比，b/h减少到减少到1.6。由于玻璃水槽。由于玻璃水槽的摩擦系数很小，因此侧壁

11、上对流量的影响很小的摩擦系数很小，因此侧壁上对流量的影响很小，可以忽略不计。，可以忽略不计。 实验装置和分析方法 潮流是由一个双向离心泵产生的。潮流的传播方潮流是由一个双向离心泵产生的。潮流的传播方向与波浪的方向一致，被定义为正向；反之，则向与波浪的方向一致，被定义为正向；反之，则被定义为反向。为了削弱涡旋生成而对实验数据被定义为反向。为了削弱涡旋生成而对实验数据的影响作用，在进的影响作用，在进/出口前的波发生器上覆盖着出口前的波发生器上覆盖着一个四层丝网来确保波浪平滑流动。一个四层丝网来确保波浪平滑流动。 实验装置和分析方法 潮流沿岸坡在空间内流动。一个有着指定的精度潮流沿岸坡在空间内流动。

12、一个有着指定的精度可达可达1毫米毫米/秒的声学测速器，是用来测量断面上秒的声学测速器，是用来测量断面上的正反向水流的流速。在这项研究中，我们选择的正反向水流的流速。在这项研究中，我们选择了两种速度来表征正反向水流，是其在近海区深了两种速度来表征正反向水流，是其在近海区深度的平均流速，即度的平均流速，即6厘米厘米/秒，秒，12厘米厘米/秒，代表秒，代表两个正向水流和两个正向水流和- 6厘米厘米/秒，秒，-12厘米厘米/秒，代秒，代表两个反向水流。表两个反向水流。 实验装置和分析方法 水流的强度随水深和地形变化。当水流在高速度水流的强度随水深和地形变化。当水流在高速度区域流入速度较低的区域，水跃只

13、只在在弗劳德区域流入速度较低的区域，水跃只只在在弗劳德数大于数大于1的情况下发生。本研究中最大的弗劳德的情况下发生。本研究中最大的弗劳德数在是数在是0.054，这可以保证了水流的平稳而不会，这可以保证了水流的平稳而不会出现水跃。出现水跃。 实验装置和分析方法 水表面高程数据由测波仪所记录，所划定的点如水表面高程数据由测波仪所记录，所划定的点如图图1所示。所示。 为了确保绝对准确性这些测波仪的精度设计为为了确保绝对准确性这些测波仪的精度设计为1毫米。在使用前，都必须进行严格的校准，毫米。在使用前，都必须进行严格的校准，以确保其在实验过程中准确性。每个记录的时间以确保其在实验过程中准确性。每个记录

14、的时间的长短是的长短是102.4秒，取样频率是秒，取样频率是40Hz。每次运。每次运行大约可以测量行大约可以测量100个短波和个短波和20个约束长波。个约束长波。实验装置和分析方法 双波组双波组 在这个实验研究中，波浪被分为不同的双波群，在这个实验研究中，波浪被分为不同的双波群，属于正弦波形态，它可以表示为：属于正弦波形态，它可以表示为： 式中，是自由表面高程。 a、f 和k分别表示振幅、频率和初级波的波数。 实验装置和分析方法 水流速度水流速度 工作水槽的部分沿中心线的波进行了各横断面的工作水槽的部分沿中心线的波进行了各横断面的详细测量，每次测量重复三次。每次测量后进行详细测量，每次测量重复

15、三次。每次测量后进行的水流流动的时间延长的水流流动的时间延长40分钟让其慢慢消失。图分钟让其慢慢消失。图2显示了沿水槽在五个地点的水流横断面图（平显示了沿水槽在五个地点的水流横断面图（平均超过均超过240s，25Hz）。）。 实验装置和分析方法图2 沿水槽在五个地点的水流横断面图 实验装置和分析方法 可以发现，从水面约可以发现，从水面约30厘米以下水流基本均匀。厘米以下水流基本均匀。由于底部边界层的存在，水槽地部的水流略有起由于底部边界层的存在，水槽地部的水流略有起伏，但对于面波的影响基本可以忽略。因此，水伏，但对于面波的影响基本可以忽略。因此，水流可以视为沿深度均匀变化。深度平均值沿水槽流可

16、以视为沿深度均匀变化。深度平均值沿水槽16个测点分布如图个测点分布如图3所示。从图所示。从图3的值可知测量的值可知测量值与理论值相符，平均水深水流流速自值与理论值相符，平均水深水流流速自0.12 m/s （x =7 m）到最大值为）到最大值为0.241 m/s （ x =22 m）。）。 实验装置和分析方法图图3 沿水槽平均流速图沿水槽平均流速图 实验装置和分析方法 分析方法分析方法 由于长波信号包含传入的自由波和约束波信号，由于长波信号包含传入的自由波和约束波信号，该实验采用的数组方法能够分离出长波信号。在该实验采用的数组方法能够分离出长波信号。在分解法中，测波仪所记录的数组经过分解法中，测

17、波仪所记录的数组经过FFT频谱变频谱变换而被扩大化，然后再用最小二乘法分离出入射换而被扩大化，然后再用最小二乘法分离出入射约束波和自用长波的频率。约束波和自用长波的频率。实验装置和分析方法 在这项研究中，我们进一步扩展了波流共存的方在这项研究中，我们进一步扩展了波流共存的方法。在波流相互作用这一条件下，波数是多普勒法。在波流相互作用这一条件下，波数是多普勒线性关系式控制的：线性关系式控制的： tanhrkUgkkh其中，其中， 是在静水条件下的绝对角频率，是在静水条件下的绝对角频率， 是水流流速是水流流速U条条件下的相对角频率，件下的相对角频率，g和和h分别表示是重力加速度和水深分别表示是重力

18、加速度和水深 。 r实验结果分析 纯波运动纯波运动 起初双波在没有潮流影响的条线下传播，结果被起初双波在没有潮流影响的条线下传播，结果被用来作为理论来说明长波产生和传播中潮流的影用来作为理论来说明长波产生和传播中潮流的影响。因此，在下面的分析中我们假定传入的长波响。因此，在下面的分析中我们假定传入的长波只是约束长波。只是约束长波。 实验结果分析 利用利用FFT频谱分析从实测波形中获取低频率波，频谱分析从实测波形中获取低频率波， 然后，使用然后，使用Battjes分解法将低频波分解为传入分解法将低频波分解为传入约束波和传出自由波。结果如图约束波和传出自由波。结果如图4所示。应该指所示。应该指出的

19、是，少量的传出自由波可能是反射的杂散自出的是，少量的传出自由波可能是反射的杂散自由长波。在本研究中，最大振幅的传出自由长波由长波。在本研究中，最大振幅的传出自由长波的振幅约为传入约束长波的的振幅约为传入约束长波的10%，这就意味着，这就意味着传出的自由长波可以忽略不计。传出的自由长波可以忽略不计。 实验结果分析图图4 低频率波的振幅和波高图低频率波的振幅和波高图 实验结果分析 Longuet-Higgins和和Stewart使用水槽估计使用水槽估计约束波在横向的部分，得出了解析约束波形式的约束波在横向的部分，得出了解析约束波形式的辐射应力方法，可以更方便计算双波群。在本研辐射应力方法，可以更方

20、便计算双波群。在本研究情况下采用两个解析的结果预测一般的变浅过究情况下采用两个解析的结果预测一般的变浅过程，并且其二阶解是浅水区约束长波的数值模拟程，并且其二阶解是浅水区约束长波的数值模拟。需要指出的是，纯波运动情况下是观察不到波。需要指出的是，纯波运动情况下是观察不到波浪破碎的，浪破碎的， 略有减少是由浅化过程引起的。略有减少是由浅化过程引起的。 rmsH实验结果分析 水流影响下的波浪运动水流影响下的波浪运动 为了研究水流对约束长波传播的影响，波形发生为了研究水流对约束长波传播的影响，波形发生器采用相同的信号用于驱动来生成波流。正反方器采用相同的信号用于驱动来生成波流。正反方向的水流随着速度

21、增加不断向前传播。在每次启向的水流随着速度增加不断向前传播。在每次启动测试运时，先产生所需要的水流，然后是波浪动测试运时，先产生所需要的水流，然后是波浪。 当合并后的运动是足够稳定时，再测定水流表当合并后的运动是足够稳定时，再测定水流表面高程。两次测试之间的时间间隔约为面高程。两次测试之间的时间间隔约为25 min，在此期间，水槽内波运动是有阻尼存在，会慢，在此期间，水槽内波运动是有阻尼存在，会慢慢的变缓。慢的变缓。实验结果分析 在正反水流的影响下短波波高如下图在正反水流的影响下短波波高如下图5所示。所示。 图图5 水流条件下短波波高分布图水流条件下短波波高分布图实验结果分析 可以发现，调制速

22、率在波浪作用中发挥了重要作可以发现，调制速率在波浪作用中发挥了重要作用，较强的调制作用下，反向水流会提高短波的用，较强的调制作用下，反向水流会提高短波的波高，正向水流的影响作用也是类似。在正向水波高，正向水流的影响作用也是类似。在正向水流流=6cm/s和和=12cm/s的条件下短波波高分的条件下短波波高分别下降了别下降了10%和和20%。为了进一步研究水流影。为了进一步研究水流影响下的波浪传播，分别给出了图响下的波浪传播，分别给出了图6中九种情形下中九种情形下的波浪振幅谱。的波浪振幅谱。实验结果分析图图6 水槽不同位置处的波浪振幅谱水槽不同位置处的波浪振幅谱 实验结果分析 在所有情形中振幅都是

23、随着频率的提高而逐渐降在所有情形中振幅都是随着频率的提高而逐渐降低的，这种趋势在反向水流中尤其明显。在静水低的，这种趋势在反向水流中尤其明显。在静水和正向水流条件下，随着波浪沿缓坡向上传播，和正向水流条件下，随着波浪沿缓坡向上传播，次谐波和超谐波的能量不断增加。超谐波能量会次谐波和超谐波的能量不断增加。超谐波能量会随着反向水流的增强而减少。随着反向水流的增强而减少。实验结果分析种分离低频波的方法是在考虑水种分离低频波的方法是在考虑水流影响下采用的改进的分离方法流影响下采用的改进的分离方法。在反向水流影响下不同频率的。在反向水流影响下不同频率的约束长波波形如图约束长波波形如图7所示。同时所示。同时，反向水流情形下从坐标轴，反向水流情形下从坐标轴x=6m开始的实验分析结果也开始的实验分析结果也在图中反映出来。另外纯波运动在图中反映出来。另外纯波运动中相应的频率也在图中表示出来中相应的频率也在图中表示出来作为对照。可以发现反向水流增作为对照。可以发现反向水流增大了缓坡中的约束长波波形，反大了缓坡中的约束长波波形，反向水流越大，约束长波波形越大向水流越大，约束长波波形越大。 图图7水流影响下不同频率的约束长波波形水流影响下不同频率的约束长波波形 实验结果分析 约束长波振幅的增加最初是由反向水流中短波振约束长波振幅的增加最初是由反向水流中短波振幅的