河口海岸近底層水流結(jié)構(gòu)及摩阻特性研究.pdf

1、本文從流體動力學(xué)原理出發(fā)，利用Prandtl混合長度和von Karman自相似理論建立了河口海岸近底層水流結(jié)構(gòu)的對數(shù)線性模式及其擴展模式，籍此，從理論上進(jìn)一步研究潮流運動的摩阻特性。 底部剪切應(yīng)力可由τ=pu<'2><,*>來確定，其中ρ是密度，u<,*>是底部摩阻流速，是底部邊界層研究的重要參數(shù)。本文敘述了璣計算的三類方法：1）紊動動能耗散率法；2）流速剖面法；3）經(jīng)驗阻力系數(shù)法。針對使用較常見的流速剖面法，本文介紹了四種方

2、法1）近底兩層流速時間系列估計粗糙長度；2）最小二乘法；3）霍夫變換法；4）枚舉法結(jié)合最小二乘法。其中，嘗試引入霍夫變換法確定流速剖面參數(shù)，因此對于該方法的有效性進(jìn)行了驗證，并應(yīng)用于ADCP實測數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)最小二乘法進(jìn)行比較。同時探討采用枚舉法結(jié)合最小二乘法確定流速剖面參數(shù)，詳細(xì)敘述求解過程并用于實測流速資料的擬合分析。 許多現(xiàn)場實測資料表明，潮流近底流速剖面偏離傳統(tǒng)的對數(shù)分布。雖然偏離值可能不大，但利用對數(shù)剖面去計算河底粗糙長

3、度和剪切應(yīng)力時會引起較大的誤差。有研究者的數(shù)值試驗表明，如果通過流速是對數(shù)分布來估計粗糙長度和底部切應(yīng)力，偏差可能超過100％（Kuo等，1996）。通過對英國大陸南部西Solent水道和德國白令海南部的Eckerforde海灣實測水流垂向分布進(jìn)行枚舉粗糙長度z<,0>結(jié)合最小二乘法擬合，并將計算結(jié)果與傳統(tǒng)的對數(shù)模式的結(jié)果比較，表明本文建立的對數(shù)線性模式有以下優(yōu)點：1、精度高，計算值更接近實測值；2、所確定的粗糙長度z<,0>和摩阻流速

4、u<,*>的相關(guān)系數(shù)更高，且兩者在相位上更趨一致。 但從理論上得到的近底流速分布的對數(shù)線性模式對近底層的數(shù)據(jù)要求較高，一般近底1m之內(nèi)至少需要四層測量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在實際應(yīng)用時很難得到。因此，本文根據(jù)潮流運動特征，增加表面梯度為零的約束條件將該模式進(jìn)行擴展研究，使其能適用于傳統(tǒng)的六點法測量數(shù)據(jù)。該擴展模式為對數(shù)拋物模式，適用于全水深，是潮流速分布模式。通過長江口和江蘇岸外西洋海域兩個實例計算分析，并與對數(shù)擴展模式比較，結(jié)果表明

5、該潮流速分布模式在各層數(shù)據(jù)上都與實測數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性且物理量z<,0>與u<,*>之間具有更好的一致性和相關(guān)性，可應(yīng)用于河口海岸流速分析研究。 鑒于實際河口海岸近岸水流由于受風(fēng)浪等作用不滿足表面流速梯度為0的條件，水淺時表層的流速梯度可能對底部水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，因此，考慮引入實際的表面流速梯度，得到改進(jìn)的對數(shù)擴展模式和改進(jìn)的對數(shù)線性擴展模式。并對兩種改進(jìn)模式與兩種擴展模式對實際河口海岸進(jìn)行阻力系數(shù)的計算。并給出推薦模式為對數(shù)