第5章 海岸波生流(4版)

1、第五章海岸波生流本章纲要 第一节 波浪破碎引起的动量转移 第二节 辐射应力表达式 第三节 波浪增水和减水 第四节 平直海岸沿岸流 第五节 裂流和近岸环流的产生机理 第六节 海岸垂向环流 第七节 海岸低频波浪海岸流-破波带邻近及其外缘水深较大的海区，表现为平行于岸线的均匀流动潮流-长周期往复振荡流动，时间空间尺度较大风吹流-时间和空间不确定海流-水团密度差引起，速度和方向变化小近岸区流动 波生近岸流-波浪作用引起的波周期时均流动 近岸环流体系向岸流(质量输移流) 沿岸流裂流(离岸流)近岸流研究目的:预测近岸流引起的泥沙搬运、岸滩演变和污染物搬运过程。对砂质海岸岸线变化起主导作用的是破碎波引起的沿

2、岸流和与之相关的离岸流和向岸流。近岸流的净流速不大，但其输送的是由波浪振荡流搅动后的泥沙近岸泥沙输移模式uUu 0 u222uUu 近岸流输沙波浪振荡流掀沙 谁引起了近岸流？ 近岸流动力的来源？ 沿岸流的驱动力是什么？ 1687，牛顿，自然哲学的数学原理 某一方向的运动的总和减去相反方向的运动的总和所得的运动量，不因物体间的相互作用而发生变化(动量守恒，只能转移，不能消失) 超新星-地球：牛顿第三定律(相互作用)的失效 动量不仅可以为实物所携带，而且可以随着光辐射一起传播动量第一节 波浪破碎引起的动量转移 辐射应力理论澄清了近岸流形成的力学机理 辐射应力:波浪运动引起的波周期时均剩余动量流 根

3、本机理：水往低处流 波浪破碎波高衰减动量减小波浪与周围流体产生相互作用： 近岸区水面变化波浪增减水(新的流体静压力) 形成近岸时均流场水流与底床的摩阻力平衡动量减少Ft =mv 波浪场中的动量流波浪场中有质量、有速度，所以也有动量交换（动量流，应力场）为什么动量流是一种应力？Ft =mv，if t=1, we have F=mv波浪场中u即单位时间内、单宽波峰线、单位高度的水体流量(m)， u u F第一节 波浪破碎引起的动量转移瞬时动量流 u，v，w称为正向动量流，其余为切向动量流u、v、w-水质点速度在x、y、z方向的分量222uuvuwMvuvvwwuwvw第一节 波浪破碎引起的动量转移

4、波周期时均动量流2220000uuvMvuvw222uwvwwuwuuvMvuvwvcosh ()cos()sinhk hzuakxtxkhsinh ()sin()sinhk hzwakxtzkh0011sin()cos()0TTuwdtkxtkxt dtTT第一节 波浪破碎引起的动量转移瞬时动量流时均动量流02xxzhhSpugzdz 辐射应力的形成 波浪的存在产生了剩余动量流(辐射应力)动水压力+动量流静水压力(无波浪存在)第二节 辐射应力表达式4sinh 2HkLhH(2-75)，深水中=0 xyyxhSSuvdz第一个下标表示辐射应力作用面的法线方向，第二个下标表示应力的作用方向，上横

5、线表示时均值第二节 辐射应力表达式辐射应力示意图02yyhzhgzdvzSp 02xxhzhgzduzSp 当波浪传播方向与x轴一致时(向离岸，5-23) 当波浪传播方向与x轴斜交时(5-23)01202102xxxyyxyynSSSSSnE221cossin2221sin2sin22xxxyyxyynnnSSSSSnnnE第二节 辐射应力表达式1212sinh2khnkh当 波 浪 场 中 各 位 置(x,y,z)处的波高不变时，单位水体上的辐射应力整体平衡若 波 浪 场 中 各 位 置(x,y,z)处的波高不同时，各位置处的辐射应力也不同，单位水体上的作用力不平衡将产生增减水或时均水流第二

6、节 辐射应力表达式第三节 波浪增水和减水增水和减水-波动水面时均值相对于静止水面的偏离值一、 一维波浪增减水方程波浪增减水的形成原因波浪进入浅水区先浅水变形(波高增大)后波浪破碎(波高减小)波高的沿程变化将引起辐射应力的沿程变化为平衡应力差，时均水面会发生相应的变化122xxSEn第三节 波浪增水和减水一、 一维波浪增减水方程假定：规则波正向入射、平直岸线、等深线平行于岸线(一维)波浪增减水的物理意义-静力平衡之解释辐射应力净力：xxdSxdx波浪增减水的物理意义-静力平衡之解释静水总压力净力：dhdPxghxdxdx 212hPzhgdzg波浪增减水的物理意义-静力平衡之解释底部支撑反力：s

7、incosxxRghdhghxdx tandhdx 波浪增减水的物理意义-静力平衡之解释上述三力静力平衡：xxddSg hdxdx 辐射应力梯度和水面坡降力之间为保持平衡，辐射应力的沿程变化会引起时均水面沿程的变化二、破波带外的减水和破碎带内增水 破波带外的浅水区：波浪浅水变形，波高随水深减小而增大，辐射应力沿程增大，时均水面沿程减小：dxdSghdxdxx 1 dxdhgSdxdxx )( hh 0 dxdSxx在深水中波浪增减水消失, , 故沿程减小的时均水面 将位于静水面以下，即发生减水现象0 dxd 0 第三节 波浪增水和减水减水公式在破波点，减水值最大2max111116162025

8、bbbbbbbHhHh 218 sinh(2)H kkh 2116Hh sinh（2kh）2kh浅水破波点0.78bbHh取破波带内：波浪破碎，波能耗散，波高减小，辐射应力沿程减小，时均水面沿程增大（Noted：并不一定比静水面高）：xhgSxxxdddd0 xxdSdx0ddx破波带内：波浪破碎，波能耗散，使得波高减小，辐射应力沿程减小，时均水面沿程增大（Noted：并不一定比静水面高）：bHhxxddSg hdxdx 2233216xxSEgh dxdhKdxd 21813bKtandhdx tandKdx xKhc bbbhhxx ,破碎后的波高 tanbbbbxK hh xK hx1n

9、 浅水时均水面与岸线相交处，增水达到最大，此时的岸线位置：tanddhKKdxdx maxmaxmaxmaxmaxmaxmaxtantantantanssssxxdxxdxx 0sbbxKh静水岸线maxmaxtanx 对于平面斜坡海岸(tan)，破波带内波浪增减水 是线性变化的，由破碎点开始直线上升，导致平均岸线也沿岸坡上升，其移动距离与坡度tan成反比，当tan较小，坡度较缓时，即使很小的波浪增水 ，也会引起较大的岸线位移maxtansdxx波浪增水和减水公式综合21,8 sin h (2)bHkxxkh tan,bbbbbK hh xK hxxx538增减水理论解与实验结果对比 破波点外

10、，逐渐减水，从破波点开始，减水值不再增加，破波带内开始增水，增水水面为一直线 Good agreement例题5-1讲解-破波带内波浪增水请记下待做的习题习题5.2、5.3 注明班级、学号、姓名 下周四课前，各班学习委员收齐后上交第四节 平直海岸沿岸流将流体力学质量守恒方程和二个水平动量方程沿水深积分以及对波周期平均，得到描述近岸时均流场的平面二维近岸流方程一、近岸流质量和动量守恒方程( )111yxyyxyyybySSTTVVVUVgtxyyDxyDxyD近岸流控制方程（惯性项） （水面坡降力）（辐射应力梯度） （紊流应力项）（床面阻力项）波浪辐射应力梯度是驱动时均流动和时均水面变化的主导作

11、用力0UDVDtxy( )111xyyxbxxxxxSTSTUUUUVgtxyxDxyDxyD hD（5-39）近岸流控制方程的解法 (1)给出近岸各点的水深 (2)根据深水波要素，利用浅水变形、折射、绕射、反射、破碎理论和破波带内的能量耗散模型获得近岸各点的波高、波向和波周期 (3)根据波浪条件和水深条件计算辐射应力项等 (4)代入方程，联立求解三个方程，三个独立变量(时均水面 ，X向深度平均流速时均值U， Y向深度平均流速时均值 V)我们的目的求解相当复杂的近岸流方程：！？ No，only for two simple goals 波浪增减水 沿岸流的形成我们需要假定简化近岸流方程简化的近

12、岸流控制方程 hD第一个假定第一个假定：波浪条件是稳定的近岸流也是稳定的，即：0t( )111yxyyxyyybySSTTVVVUVgtxyyDxyDxyD0UDVDtxy( )111xyyxbxxxxxSTSTUUUUVgtxyxDxyDxyD简化的近岸流控制方程0UDVDxy第二个假定第二个假定：沿岸方向波高均匀一致，即：/0y 从时均角度而言，只有沿岸流（V0），没有向离岸流/0y 0UhxUhConst0U ,buthConst( )11byxyyxyyyySSTTVVUVgxyyDxyDxyD( )11bxyyxxxxxxSTSTUUUVgxyxDxyDxyD?侧向紊动掺混项的简介作

13、用在水柱体侧面上的紊动应力-侧向混合应力，由波浪破碎产生的强烈紊动在相邻水体间产生动量交换引起的(流体粘性)。紊动动量的交换使流速分布趋于均匀光滑，引起流速再分布根据紊流理论，动量交换通常可表示为速度梯度 和动量交换系数(或涡粘系数) 的乘积： (4-14)00UxxTx22xxeyyexyyxeUTDxVTDyUVTTDyx Uxe平均流和波浪质点速度共存时，时均床面阻力 wf V V sin)cos(cos)cos(tuVtuUvVuUVmmU VtuVm)cos( sin0cos1线性化简化的近岸流控制方程第三个假定第三个假定:斜向入射且近岸区入射角很小，即:sin=0，cos=1wf

14、取值为第四章中的1 2平均流和波浪质点速度共存时，时均床面阻力 wf V V VtuVm)cos( ()20bywmf u Vy向(沿岸) ：()2cos() cos()0bxwmf utt第四个假定第四个假定:沿岸流速V波浪水质点轨迹速度幅值umx向(向岸) ：+（5-43）( )1bxxxSgxDx前述假定下的X向动量方程xhgSxxxdddd（5-41）等同于增减水方程(5-25)，但此时的Sxx要考虑波浪斜向入射前述假定下的Y向动量方程（5-42）( )111xyxybySTDxDxDxyeUTDyVx ()2bywmVf u从泥沙运动角度，最想研究的是沿岸流的what？ 波浪正向入射

15、：波浪增减水 If wave incident obliquely? 辐射应力梯度的向岸分量(Sxx)由平均水面坡降力来平衡 辐射应力梯度的沿岸分量(Sxy)由Who来平衡？第四节 平直海岸沿岸流( )xyxybySTxxxhgSxxxdddd波浪斜向入射时，沿岸辐射应力切向分量Sxy在破波带内的变化不能由平均水面坡降力所平衡。因此，沿岸方向需要有底部剪切应力来平衡Sxy的梯度，而时均剪切应力只有发生时均流动时才存在这说明：Sxy在向岸方向（x向）的变化形成了沿岸流第四节 平直海岸沿岸流沿岸流速=F(入射角,破碎波高,海滩坡度)。布朗(1969)和朗吉特-希金斯(1970)应用辐射应力理论，得

16、到了沿岸流速度分布公式从泥沙运动角度，最想研究的是沿岸流的what？( )111xyxybySTDxDxDxyeUTDyVx ()2bywmVf u考虑 or 不考虑V二、不考虑侧向掺混的沿岸流 侧向掺混项可忽略0 xxyyxyyxTTTT20 xywmdSf u Vdx( )xybydSdx ()2wbymu Vf破波带内和破波带外的流速是不一样滴！破波带外sinsincoscosxySEnEcnCc0 dxdSxy破波带外波浪没有破碎，没有能量损失，在传播过程中沿岸方向辐射应力Sxy沿程不变，沿岸流驱动力为0，V=0(cos )EcnConstsincConst20 xywmdSf u V

17、dx0V 第五个假定：无限长平直等深线，底坡均匀Snell定律bbHhDgDc 破波带内：波浪破碎引起能量损失，波高减小 23 25sinsin 2()2161tanxyxybdSnSEgDdxcK1ta5nsin16bwVgDfcK1tan5sin8mbwVufKcos1sincConst1n20 xywmdSf u Vdx21813bK/2mbbugD5 52(1)对于均匀底坡，沿岸流V与当地时均水深D成正比：(2)沿岸流大小取决于入射角、破碎波高、海滩坡度：tan5s1in8wmbVfuK1ta5nsin16bwVgfcDK5 52破波带内沿岸流流速的分布 沿岸流速在破波带内三角形分布

18、破波点处流速最大 沿岸流平均流速(破波带中点) 接岸处V=01tan5sin16lmbbwVufKmax1tan5sin8bmbbwVufK5 535 54破波带内沿岸流速经验公式Komar和和Inman (1970) (1970) bmbluV sin7 . 2 bbmbluV cossin7 . 2 Komar (1975)修正为修正为 5 55美国海岸工程手册：美国海岸工程手册： 1 220.7tansin2lbbVgH不考虑侧向掺混的沿岸流之不合理破波带外：0破波线处：最大破波点处：突变？侧向紊动动量交换使得破波带内的沿岸流动量向破波带外扩散，出现流速再分布现象三、考虑侧向掺混的斜向入

19、射波引起的沿岸流在现场和实验室中都可观测到破波带外存在沿岸流，这种流是由侧向紊动动量交换引起的，紊动动量交换促使破波带内沿岸流动量向带外横向扩散，发生流速再分布现象。 2()0 xywmedSdf u VdxdxxVD ( )111xyxybySTDxDxD()2wbymu VfxyeVTDx 1tanbwNKPfN代表侧向掺混强度的参数，Cf代表底部摩阻力的参数，故P表示侧向掺混与底摩阻相对重要性 当P趋于零时(不考虑侧向掺混)，速度剖面趋于三角形分布。当P增大时，流速分布趋于平坦，最大流速位置向岸线靠拢，且破波带外流速逐渐增强前面讨论的是无限长平直、均匀海滩。但实际海滩都不是这样的，海滩剖面在y向（沿岸方向）是不均匀的、不规则的(即等深线不平直，沿岸水深不一致沿岸波高不均匀近岸环流)第五节 裂流和近岸环流的产生机理21sin2yynESn/0y sin=0，cos=1沿岸波高不均匀分布的原因？沿岸水底地形变化波浪折射沿岸波高不均匀分布 如沙坝型海滩剖面，规律性地交错分布着沙坝和裂流沟，沙坝处水深小，裂流沟处水深大，