浅化波浪层流边界层流速分布 特性的数值分析.pdf

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1、第３８卷第５期海洋学报Ｖｏ．l３８，Ｎｏ．５２０１６年５月ＨａｉｙａｎｇＸｕｅｂａｏＭａｙ２０１６李诚，张弛，隋倜倜．浅化波浪层流边界层流速分布特性的数值分析［Ｊ］．海洋学报，２０１６，３８（５）：１４１—１４９，ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-４１９３．２０１６．０５．０１３ＬｉＣｈｅｎｇ，ＺｈａｎｇＣｈｉ，ＳｕｉＴｉｔｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａlｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｖｅlｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｈｏａlｉｎｇlａｍｉｎａｒｗａｖｅｂｏｔｔｏｍｂｏｕｎｄａｒｙlａｙｅｒ［Ｊ］．Ｈａｉｙａｎ

2、ｇＸｕｅｂａｏ，２０１６，３８（５）：１４１—１４９，ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-４１９３．２０１６．０５．０１３浅化波浪层流边界层流速分布特性的数值分析李诚１，２，张弛１，２*，隋倜倜１，２（１．河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京２１００９８；２．河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京２１００９８）摘要：建立了同时考虑波致雷诺应力和时均水平压强梯度影响的二阶波浪边界层数学模型，模型计算得到的浅化波浪层流边界层内瞬时流速剖面、振荡速度幅值和时均流速剖面均与水槽实验数据吻合较好，在此基础上探讨了浅化

3、波浪边界层流速分布特性及其影响机制。随着波浪的浅化变形，边界层内时均流速剖面“底部向岸、上部离岸”的变化特征越来越明显。这是二阶对流项引起的波致雷诺应力和离岸回流引起的时均水平压强梯度共同作用的结果，在床面附近由波致雷诺应力占主导作用并趋于引起向岸流动，在上部区域由时均水平压强梯度占主导作用并趋于引起离岸流动。关键词：波浪浅化；底部边界层；时均流速；数值模拟中图分类号：ＴＶ１３９．２文献标志码：Ａ文章编号：０２５３-４１９３（２０１６）０５-０１４１-０９［７］作用下的流速变化情况。陈杰等采用一维垂线波1引言浪边界层模型和Ｍｅllｏ

4、ｒ-Ｙａｍａｄａ紊动模式模拟了线近岸波浪水质点的振荡运动受到底床摩阻的影［８］性波作用下的边界层流速剖面。吴永胜等采用一响，在床面上方形成毫米至厘米级的薄层，即波浪边阶边界层模型对波流共同作用下的边界层紊流结构界层。波浪边界层内存在较大的流速梯度并催生床进行分析，探讨了边界层内的波流非线性耦合机制。面剪切应力，是近岸泥沙运动的重要驱动力。研究波上述研究针对波浪边界层流速和床面剪切应力在一浪边界层内的水流分布特征和床面剪切应力变化对个周期内的变化规律取得了较好的进展，但大多基于［１—３］认识海岸泥沙运动和地形演变具有重要意义。流速在水

5、平方向上均匀分布的一阶假定，对边界层内众多国内外学者采用物理实验与数学模型的手的时均流速分布未做深入分析。［４］［５］段对波浪边界层开展研究。Ｈｉｎｏ等和Ｊｅｎｓｅｎ等实际波浪边界层的时均流动受到以下两个动力在Ｕ形管中测量了波浪边界层的流速剖面和床面剪过程的共同影响。第一，波浪水质点运动具有水平流［６］切应力。孙亚斌等采用格子Ｂｏlｔｚｍａｎｎ方法对波速梯度和垂向流速，而边界层内的黏性运动使得底床浪层流边界层进行模拟，探讨了线性波和椭圆余弦波附近水平流速与垂向流速相位差不为９０°，从而产生收稿日期：２０１５-０５-１０；修订日期：２

6、０１５-０７-２１。基金项目：国家自然科学基金项目（５１２０９０８２）；交通运输部应用基础研究计划项目（２０１４３２９２２４３３０）；江苏省普通高校研究生科研创新计划（＃ＣＸ-ＬＸ１１０４５０）。作者简介：李诚（１９８９—），男，四川省乐山市人，从事海岸动力学研究。Ｅ-ｍａｉl：lｉｃｈｅｎｇｈｓｂｃ＠１６３．ｃｏｍ*通信作者：张弛（１９８５—），男，福建省莆田市人，副教授，从事海岸泥沙运动与地貌形态动力学研究。Ｅ-ｍａｉl：ｚｈａｎｇｃｈｉ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ１４２海洋学报３８卷不为零的二阶波致雷诺应力，引起边界层内向岸方向分别

7、为二阶水平对流项和垂向对流项，包含了波致雷［９］诺应力的影响；式（１）右侧第一项为水平压强梯度项，的时均水流；第二，波浪传播变形过程中会引起水体表层的向岸质量净输移和底层的离岸回流，引起边包含了离岸回流的影响。这３项的确定是求解边界界层内不为零的时均水平压强梯度和离岸方向的时层模型的关键。［１０］［１１］均水流。Ｌｉｎ和Ｈｗｕｎｇ的波浪水槽实验表明，2．2二阶对流项的处理浅化波浪边界层内的时均流速在底部为向岸，在上部针对某一特定位置，认为其局部两侧的波面形态为离岸，反映了两个动力过程的相互作用。近年来许沿程变化很小，水质点速度的空间

8、梯度主要取决于自多学者通过数学模型对这两者开展了针对性的研究，身的相位差，可采用下列关系式将水平流速梯度转化并探讨了它们的影响机制。Ｈｏlｍｅｄａl和为流速对时间的导数：［１２］，Ｋｒａｎｅｎｂｕｒｇ等［１３］采用二阶边界层模型эu１