波浪作用下底摩阻系数和泥沙起动实验研究

论文摘要

海岸泥沙的起动和输运、波浪传播过程中的衰减、波浪和水流的相互作用以及海岸建筑物的底部冲刷都与波浪底床剪应力有紧密的关系。而且波浪是海岸地区一个非常重要的海洋水动力因素，波浪作用下底部边界层的流态、底摩阻系数、床面剪应力和泥沙起动的理论还不成熟。因此深入研究波浪边界层及其作用下泥沙起动的问题，对于深入陆海相互作用相关科学问题的研究，推动海岸动力学的发展，满足海洋工程建设的需求，具有重要的科学意义和工程价值。 本文设计了一套物理模型实验装置可以直接测量波浪作用下的底床剪应力，得到了不同底床上和泥沙起动前后的波高、底床水质点速度和底床剪应力的实验数据，对实验数据进行误差分析，验证了实验数据的可信性。根据实验的成果，本文拟合出了波浪作用下泥沙微量起动时底摩阻系数的计算公式，并将该公式运用到规则波和不规则波作用下泥沙起动速度计算公式中，将泥沙起动速度的计算值与实测值进行了比较，结果吻合较好。并且由于该公式是显式格式，使用方便，所以很实用。 另外根据本文的实验数据和前人的实验成果，借助单向水流作用下泥沙起动Shields曲线的研究方法，作者拟合出一条可以用来研究波浪作用下泥沙起动的Shields曲线，讨论了波浪作用下的Shields曲线与单向水流作用下的Shields曲线的不同，分析了波浪作用下泥沙起动的特征。 本文是在国家杰出青年科学基金物理海洋学科“波浪边界层和海岸泥沙起动”的资助下完成的，项目编号为40428001。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 波浪边界层理论成果介绍
• 1.3 波浪作用下底摩阻系数研究进展
• 1.4 泥沙起动研究成果
• 1.4.1 单向水流作用下泥沙起动研究成果简介
• 1.4.2 波浪作用下泥沙起动研究进展
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 实验研究的设备与方法
• 2.1 实验的设计思路
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.2.1 造波仪器及设备
• 2.2.2 数据采集仪器及设备
• 2.3 实验方法及步骤
• 2.3.1 底摩阻系数实验
• 2.3.2 泥沙起动实验
• 2.4 实验现象
• 2.5 实验数据的采集
• 2.5.1 数据采集的格式
• 2.5.2 数据的初步处理
• 第三章 波浪作用下底摩阻系数的实验结果及分析
• 3.1 实验数据提取
• 3.1.1 规则波数据提取
• 3.1.2 不规则波数据提取
• 3.2 误差分析
• 3.2.1 滑道摩擦力的影响
• 3.2.2 应力板前后压强差的影响
• 3.2.3 应力板长度影响
• 3.2.4 数据处理方法
• 3.3 规则波作用下底摩阻系数的研究
• 3.3.1 波浪非线性对底摩阻系数计算的影响分析
• 3.3.2 光滑底床
• 3.3.3 粗糙底床
• 3.4 不规则波作用下底摩阻系数的研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 波浪作用下泥沙起动的实验结果及分析
• 4.1 单向水流作用下泥沙起动的Shields曲线推导
• 4.2 波浪作用下的泥沙起动公式推导
• 4.2.1 波浪作用下的体积力对泥沙起动的影响
• 4.2.2 波浪作用下泥沙起动的Shields曲线推导
• 4.3 规则波作用下泥沙起动的研究
• 4.3.1 起动流速
• 4.3.2 起动剪应力
• 4.4 不规则波作用下泥沙起动的研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢