沿岸流不稳定运动的实验研究及理论分析

论文摘要

本文以沿岸流不稳定实验采集的垂直岸线方向和沿岸方向的流速时间历程和墨水运动轨迹图片资料为基础,利用最大熵谱分析方法分析了实验室观测到的沿岸流不稳定运动的频率;利用测量的墨水运动轨迹分析了其传播速度;利用三角函数回归法分析了其波动幅值在垂直岸线方向的变化特征;并讨论了这些量随入射波波高、入射波周期、地形的变化。用线性剪切不稳定模型理论分析了实验观测到的结果,得到了对应实验情况的沿岸流不稳定运动的频率、波长和传播速度,并与实验结果进行了对比分析,发现了实验中两个不同坡度(1:40和1:100)海岸上所观察到的沿岸流不稳定运动分别对应两种不同的剪切流线性不稳定模式,即1:40坡度海岸的不稳定运动是由于沿岸流速度剖面后剪切所引起,而1:100坡度海岸的不稳定运动是由于沿岸流速度剖面前剪切所引起。讨论了平均沿岸流速度剖面对不稳定增长模式的影响,利用解析速度剖面分析了速度剖面对不稳定多模式的影响。以浅水方程为控制方程,基于波能守恒方程计算波浪辐射应力,建立了平均沿岸流数学模型。数值分析了沿岸流不稳定对平均沿岸流的影响。文中首先阐述了沿岸流不稳定运动对研究近岸污染物、泥沙输移的重要意义,并指出目前沿岸流不稳定运动实验研究比较少,因此,通过实验来研究沿岸流不稳定运动有助于更加直观、深刻、全面的认识沿岸流不稳定运动的特性,并为沿岸流不稳定运动数值模拟的研究以及与沿岸流不稳定运动相关的其它方面提供实验结果。第二章详细介绍了沿岸流不稳定运动的实验,具体包括该实验的物理模型布置,仪器布置以及墨水投放的实验,并给出了实验采集的30个波况垂直岸线方向、沿岸方向的流速时间历程以及用CCD系统采集的墨水运动轨迹的图片。基于采集的实验结果,本文就其不同波况下的流速时间历程和墨水运动特点作了详细分析,着重分析了在规则波和不规则波情况下是否出现了长周期波动,并分析了质量输移流、沿岸流、大尺度漩涡和沿岸流不稳定运动对墨水运动轨迹的影响;波高对沿岸流不稳定运动空间结构的影响。第三章介绍了沿岸流不稳定运动实验结果分析方法。用最大熵谱方法确定沿岸流不稳定运动的频率;用三角函数回归法确定其波动幅值;用墨水运动轨迹来确定其传播速度。第四章用第三章的方法分析了规则波和不规则波情况对应的两种坡度1:100和1:40地形条件下沿岸流不稳定运动的频域特性、幅值特性和传播速度特性。第五章利用沿岸流线性不稳定运动理论模型对实验中观测到的不稳定进行了理论分析。首先用二阶中心差分格式对该模型进行离散,得到了计算不稳定增长模式的矩阵方程,并采用Garbow,Moler等提出算法基础上改进的QZ算法对矩阵方程进行了求解,通过与已有计算结果的对比对所用的数值格式进行了验证。利用本章的沿岸流线性不稳定的理论模型计算了30个实验波况下的沿岸流不稳定运动增长模式,并将计算结果与实验结果进行了比较。第六章利用无因次的沿岸流线性不稳定模型,分析讨论了坡度对沿岸流增长模式的影响;分析了前剪切、后剪切对沿岸流增长模式的影响;分析讨论了规则波与不规则波情况不稳定周期不同的原因。第七章利用Allen给出的解析速度分析了不稳定模式出现不连续的情况,即多模式情况。并分析了速度剖面最大值发生变化后对于不稳定的影响。第八章建立了二维平均沿岸流的数学模型并分析了沿岸流不稳定对平均沿岸流的影响,并初步分析了沿岸流不稳定引起的侧混系数的范围。首先给出了平均沿岸流计算模型,该模型利用二维浅水方程为控制方程,其中波高变化利用波能守恒方程求得,从而计算出了波浪辐射应力。用交替方向隐式(ADI)法对该模型进行了数值求解,并将计算结果与实验结果进行了比较。然后数值分析了沿岸流不稳定对平均沿岸流的影响。最后给出了本文的结论以及对于本研究的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 沿岸流不稳定运动的研究概况
• 1.3 本文主要研究工作
• 2 实验简介及实验结果
• 2.1 实验装置及地形
• 2.2 实验内容
• 2.3 实验方法及实验条件
• 2.3.1 沿岸流实验方法
• 2.3.2 实验波浪条件
• 2.4 实验结果
• 2.4.1 流速时间历程
• 2.4.2 平均沿岸流
• 2.5 质量输移、沿岸流和大尺度涡旋对墨水运动的影响
• 2.5.1 质量输移对墨水运动的影响
• 2.5.2 沿岸流对墨水运动的影响
• 2.5.3 大尺度旋涡对墨水运动的影响
• 2.6 沿岸流不稳定运动对墨水运动的影响
• 2.7 本章小结
• 3 实验结果分析方法
• 3.1 频域分析方法
• 3.1.1 数据预处理
• 3.1.2 最大熵谱
• 3.2 沿岸流不稳定波动幅值
• 3.2.1 三角函数逼近
• 3.2.2 正交OR分解法
• 3.2.3 幅值计算结果
• 3.3 不稳定运动相速度
• 3.3.1 沿岸流不稳定运动相速度测量方法
• 3.3.2 线性拟合
• 3.4 本章小结
• 4 沿岸流不稳定运动实验结果分析
• 4.1 规则波情况
• 4.1.1 波动频率
• 4.1.2 波动幅值
• 4.1.3 传播速度
• 4.2 不规则波情况
• 4.2.1 波动频率
• 4.2.2 波动幅值
• 4.2.3 传播速度
• 4.3 本章小结
• 5 沿岸流线性不稳定运动理论分析
• 5.1 沿岸流线性不稳定模型
• 5.1.1 控制方程
• 5.1.2 边界条件
• 5.1.3 模型数值求解
• 5.1.4 沿岸流不稳定运动特征的确定
• 5.2 规则波情况不稳定增长模式
• 5.2.1 计算结果
• 5.2.2 数值计算结果与实验结果比较
• 5.3 不规则波情况不稳定增长模式
• 5.3.1 计算结果
• 5.3.2 数值计算结果与实验结果比较
• 5.4 本章小结
• 6 理论结果与实验结果对比的讨论
• 6.1 不稳定模型无因次化
• 6.2 坡度影响
• 6.3 前剪切极值的影响
• 6.4 前剪切和后剪切变化对不稳定的影响
• 6.5 规则波和不规则波影响
• 6.6 本章小结
• 7 沿岸流不稳定多模式的理论分析
• 7.1 实验速度剖面拟合中可能产生的多模式
• 7.2 解析速度剖面的前剪切和后剪切同时变化对多模式的影响
• 7.3 解析速度剖面后剪切变化对多模式影响
• 7.4 解析速度剖面前剪切变化对多模式影响
• 7.5 解析速度剖面没有后剪切极值对多模式影响
• 7.6 本章小结
• 8 平均沿岸流数值模拟及沿岸流不稳定对平均沿岸流的影响分析
• 8.1 平均沿岸流数值模拟
• 8.1.1 近岸波流场控制方程
• 8.1.2 近岸波流场数学模型中的作用力
• 8.1.3 近岸波流场数学模型的数值求解
• 8.1.4 平均沿岸流数值计算结果与实验结果比较
• 8.2 沿岸流不稳定对平均沿岸流的影响
• 8.2.1 考虑沿岸流不稳定运动的二维平均沿岸流模型
• 8.2.2 沿岸流不稳定对平均沿岸流影响
• 8.2.3 沿岸流不稳定引起的侧混系数
• 8.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢