河口海岸近底层水流结构及摩阻特性研究

论文摘要

本文从流体动力学原理出发，利用Prandtl混合长度和von Karman自相似理论建立了河口海岸近底层水流结构的对数线性模式及其扩展模式，籍此，从理论上进一步研究潮流运动的摩阻特性。 底部剪切应力可由τ=ρu*2来确定，其中ρ是密度，u*是底部摩阻流速，是底部边界层研究的重要参数。本文叙述了u*计算的三类方法：1) 紊动动能耗散率法；2) 流速剖面法；3)经验阻力系数法。针对使用较常见的流速剖面法，本文介绍了四种方法 1) 近底两层流速时间系列估计粗糙长度；2) 最小二乘法；3) 霍夫变换法：4) 枚举法结合最小二乘法。其中，尝试引入霍夫变换法确定流速剖面参数，因此对于该方法的有效性进行了验证，并应用于ADCP实测数据，与传统最小二乘法进行比较。同时探讨采用枚举法结合最小二乘法确定流速剖面参数，详细叙述求解过程并用于实测流速资料的拟合分析。 许多现场实测资料表明，潮流近底流速剖面偏离传统的对数分布。虽然偏离值可能不大，但利用对数剖面去计算河底粗糙长度和剪切应力时会引起较大的误差。有研究者的数值试验表明，如果通过流速是对数分布来估计粗糙长度和底部切应力，偏差可能超过100％（Kuo等，1996）。通过对英国大陆南部西Solent水道和德国白令海南部的Eckerforde海湾实测水流垂向分布进行枚举粗糙长度z0结合最小二乘法拟合，并将计算结果与传统的对数模式的结果比较，表明本文建立的对数线性模式有以下优点：1、精度高，计算值更接近实测值；2、所确定的粗糙长度z0和摩阻流速u*的相关系数更高，且两者在相位上更趋一致。 但从理论上得到的近底流速分布的对数线性模式对近底层的数据要求较高，一般近底1m之内至少需要四层测量数据，而这些数据在实际应用时很难得到。因此，本文根据潮流运动特征，增加表面梯度为零的约束条件将该模式进行扩展研究，使其能适用于传统的六点法测量数据。该扩展模式为对数抛物模式，适用于全水深，是潮流速分布模式。通过长江口和江苏岸外西洋海域两个实例计算分析，并与对数扩展模式比较，结果表明该潮流速分布模式在各层数据上都与实测数据具有良好的相关性且物理量z0与u*之间具有更好的一致性和相关性，可应用于河口海岸流速分析研究。 鉴于实际河口海岸近岸水流由于受风浪等作用不满足表面流速梯度为0的条件，水浅时表层的流速梯度可能对底部水流结构产生作用，因此，考虑引入实际的表面流速梯度，得到

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 插图与附表清单
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 边界层和近底层
• 1.2 河口海岸近底层的研究现状
• 1.2.1 水流结构
• 1.2.2 摩阻特性
• 1.2.3 能量耗散
• 1.2.4 数值模拟
• 1.2.5 泥沙输运
• 1.3 本文的主要研究目的、意义和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.3.3 主要内容
• 第二章 流速剖面参数确定方法
• 2.1 紊动动能耗散率法
• 2.2 流速剖面法
• 2.2.1 近底两层流速时间系列估计粗糙长度
• 2.2.2 最小二乘法
• 2.2.3 霍夫变换法
• 2.2.4 枚举法结合最小二乘法
• 2.3 经验拖曳力系数法
• 2.4 结论
• 第三章 河口海岸近底层潮流速分布模式
• 3.1 潮流运动及其基本方程
• 3.2 紊流模型的选取
• 3.3 近底潮流速分布模式
• 3.4 物理量的确定方法
• 3.5 实例分析
• 3.5.1 英国大陆南部西Solent水道实测水流垂向分布
• 3.5.2 德国白令海南部的Eckerforde海湾实测水流垂向分布
• 3.6 结论
• 第四章 河口海岸潮流速分布模式的应用
• 4.1 对数扩展模式
• 4.2 对数线性扩展模式
• 4.3 求解过程
• 4.4 实例分析
• 4.4.1 实例一:长江口实测水流垂向分布（2004年5月）
• 4.4.2 实例二:长江口实测水流垂向分布（2002年3月）
• 4.4.3 实例三:长江南北槽实测水流垂向分布
• 4.4.4 实例四:江苏岸外西洋海域实测水流垂向分布
• 4.5 扩展模式的改进
• 4.5.1 对数扩展模式改进
• 4.5.2 对数线性扩展模式改进
• 4.5.3 拟合计算结果分析
• 4.6 结论
• 第五章 潮流运动摩阻特性研究
• 5.1 粗糙长度
• 5.2 底部摩擦与底部剪切应力
• 5.3 粗糙长度和摩阻流速的关系研究
• 5.4 应用实例
• 5.4.1 实例一:英国大陆南部西Solent水道实测水流垂向分布
• 5.4.2 实例二:长江口2004年5月水文测验
• 5.4.3 实例三:江苏岸外西洋海域
• 5.5 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者攻博期间发表的论文及参加的科研项目
• 致谢