摘要
为研究随机波浪遇丁坝反射形成的裂流的特征,进行了沙坝地形丁坝反射所形成的叠加波浪生成裂流的实验。研究结果表明,沿岸一致的沙坝地形使得所形成的裂流主要受控于沿岸周期性变化叠加波浪。裂流的驱动力主要取决于节腹点之间的平均水面沿岸压力梯度,而节腹点波高差异形成的沿岸辐射应力贡献很小,驱动力的量值与范围受到波浪周期的影响。裂流的位置和宽度完全受控于波浪节点,叠加波浪场在叠加区沿岸方向上形成交替出现的环流系统和大尺度涡,此环流系统由围绕波浪节点的离岸裂流、围绕波浪腹点的向岸流和由波腹点向波节点汇聚的沿岸方向的补偿流组成。
裂流是由近岸海岸波浪破碎形成的强而窄的离岸水
由于受海底沿岸地形不均
现有的裂流实验研究主要关注规则波和有槽沙坝情况,而缺乏对随机波浪情况下裂流特征的研究。本文研究了斜向入射的随机波浪在丁坝反射叠加产生的交叉波浪作用情况下的裂流特征,实验地形为 1∶40坡度沙坝海岸,通过对叠加波浪节腹点位置浪高测量、沿岸布置的声学多普勒流速仪(ADV)定点测量和浮子示踪测量结果来分析波浪特征和裂流分布。
实验在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室多功能水池中进行,水池长55.0 m,宽34.0 m,深0.7 m,其中一端为推板式多向不规则波造波机。1∶40坡度沙坝模型与造波机成3

图1 裂流实验布置和地形断面图(单位:m)
Fig. 1 Experimental set up (unit:m)
注: 表中波高为波浪叠加区外深水波高,取均方根值;节点、腹点位置为距丁坝距离。
本文研究对象为随机波浪,采用JONSWAP谱(谱峰因子取3.3)。 实验中波浪场布置3列垂直岸线浪高仪,第1列固定放置在距离丁坝9.0 m处,其余2列根据不同波况对应周期分别布置在

图2 浪高仪布置图(单位:m)
Fig. 2 Layout of wave gauge (unit:m)
本文研究了沙坝地形在实验波浪场环境下所形成的流动系统的特征。因为这一特征是由入射波浪遇丁坝反射所形成的叠加波浪场形成,所以这一流动受叠加波浪场的波高分布影响。其特征是在沿岸方向形成驻波,驻波在沿岸方向有等间距的节腹点分布,从而使沿岸方向波高呈周期性变化。由图

图3 节腹点波高H和增减水分布图
Fig. 3 Wave heights and set up for nodes and antinodes
本文选用沿岸一致沙坝海岸来讨论地形沿岸均匀情况下的沙坝对叠加波浪场的影响。波浪在沙坝离岸区域开始发生破碎,直至沙坝峰附近发生强烈破碎,这可由
为了说明随机波浪叠加波浪场与规则波情况的差别,

图4 规则波和不规则波波浪场对比
Fig. 4 Comparison of wave fields
波高和波面沿岸周期性变化将在相邻节腹点间产生沿岸静压力差和沿岸辐射应力差。由沿岸方向动量方程可知,沿岸补偿流的驱动力是波面静压力差和辐射应力差之和,即
(1) |
式中:为海水密度;g为重力加速度;h为静水水深;为增减水;H为波高;为辐射应力;k为波数。
为了给出

图5 沿岸压力梯度
Fig. 5 Comparison of longshore pressure gradients

图6 垂直岸线流速u速度剖面分布
Fig. 6 Velocity distribution for different wave heights and different wave periods
裂流流场特征是通过分析不同波高和周期波况的流速分布得到的。
裂流位置完全受叠加波浪节点位置控制,当波浪周期变化导致节点变化时裂流位置也发生改变,这与裂流沟槽存在时裂流还受裂流位置控制不同。 从
不同周期情况如
裂流的环流特征主要通过浮子示踪测量结果给出,其速度场为水体表面流速,在沿岸沙坝附近的裂流区域大致体现为环流系统。

图7 浮子轨迹线和流速涡量图
Fig. 7 Drifter tracks and vortex intensity
在沙坝附近区域(x>3.0 m),由于叠加波浪场在沿岸方向上周期变化会形成向岸流和离岸流的周期性变化,从而在沿岸方向形成交替的环流系统,该交替环流系统对应于交替出现的波腹点和波节点对。环流系统包括围绕波节点的离岸裂流、围绕波腹点的向岸流和由波腹点向波节点汇聚的沿岸方向的补偿流。伴随裂流出现了位于裂流颈两侧的一对反向大尺度涡,涡中心位置接近沙坝峰,沿岸方向位于节腹点之间并稍偏向于节点。从
从
实验研究了随机波浪丁坝反射波产生的裂流特征。通过考虑沿岸均匀一致的沙坝海岸从而排除了沿岸地形不一致的影响,裂流主要受波浪沿岸变化不均匀的影响。叠加波浪场产生的流场具有以下特征:
(1) 裂流的驱动力是沿岸静压力差和沿岸辐射应力差的合力。叠加波浪场生成裂流的主要驱动力是平均水面沿岸静压力梯度,而沿岸辐射应力产生的压力梯度处于次要地位,仅为前者的1/9左右。大周期情况更容易形成较大的沿岸驱动力,从而形成较大的裂流区域。
(2)与规则波相比,随机波浪叠加生成裂流的速度剖面较为扁平,裂流宽度略大于相邻节腹点之间的距离,但随波高不同该距离有所偏离。裂流长度小于规则波情况,且随着周期增大,长度也有所增大。裂流的沿岸位置完全受波浪节点控制,当波浪周期变化导致节点变化时裂流位置也发生改变。垂直岸方向裂流最大值位于沙坝顶。
(3) 叠加波浪场形成了交替出现的环流系统,该交替环流系统对应于交替出现的波腹点和波节点对。 环流系统包括围绕波节点的离岸裂流、围绕波腹点的向岸流和由波腹点向波节点汇聚的沿岸方向的补偿流。 伴随裂流出现了位于裂流颈两侧的一对反向大尺度涡,涡中心位置接近沙坝峰,沿岸方向位于节腹点之间并稍偏向于节点。
作者贡献声明
王 彦:负责论文技术路线、逻辑结构、数据分析与解释,对论文进行了重要的修改。
邹志利:负责实验方案的提出和总体把控。
张振伟:负责实验过程的数据采集。
刘忠波:负责论文思路的把控和核准,对论文进行了重要的修改。
房克照:负责论文思路的把控和核准,对论文进行了重要的修改。
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