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破碎波作用下的粉沙悬沙浓度垂向分布计算方法的探讨

韩鸿胜  
【摘要】: 波浪破碎是近岸悬沙的主要动力,因此研究波浪破碎作用下的悬沙浓度垂向分布对于预测航道淤积有重大意义。本文对破碎波作用下的粉沙质海岸粉沙悬沙浓度进行实验研究并进行分析。本文所进行的主要工作如下: 首先,通过对驴驹河粉沙和黄骅粉沙的水槽实验测量了破碎波作用下不同断面处的悬沙浓度垂向分布;并采用ADV测量了不同断面不同深度处的速度时间过程;对实验现象和结果进行了初步分析,得出:(1)在波浪破碎点附近,上部水体悬沙浓度与破碎后基本相同,不同的是波浪破碎前附近底部浓度值比破碎后大很多,从而断面平均悬沙浓度比破碎后大,因此在计算泥沙输移时,应对破碎前附近悬沙浓度垂向分布更加注重;(2)在卷破波作用下,距破碎点距离的长短对悬沙浓度的影响较大(与崩破波相比),在波浪破碎后当距破碎点较短时,悬沙浓度较大;反之,悬沙浓度较小;(3)在破碎带内区,驴驹河粉沙和黄骅粉沙悬沙浓度垂向分布均接近直线,且斜率非常大;(4)在波浪破碎前近底有高浓度含沙水体层,而在波浪破碎后高浓度含沙水体层消失;(5)在波浪破碎情况下,整个断面的颗粒级配图中d_(50)较为相近;而在波浪不破碎情况下,在整个断面的颗粒级配图中, d_(50)在底部较大,随着距地面距离的增大, d_(50)不断减小; 其次,对采用ADV测量的速度时间过程进行傅立叶分解,采用George等的惯性耗散方法进行分析,得到了紊动耗散系数和紊动强度。对沿程紊动强度进行分析后得出,分布形式与断面平均悬沙浓度沿程分布规律相同,在破碎点附近,紊动强度达到最大,在破碎点前,紊动强度沿程增大;在破碎点后,紊动强度沿程减小; 然后,从实验数据出发,进行了一系列的分析,具体如下:(1)根据实测浓度入手,应用垂向一维悬沙扩散方程,近似推求得到驴驹河粉沙泥沙扩散系数;(2)从实验得出的断面的颗粒级配图,通过沉速公式给出了波浪不破碎情况下的泥沙沉速垂向分布形式;(3)根据Kolmogorov-Prandtl公式,并假定泥沙扩散系数等于动量扩散系数,对泥沙扩散系数和紊动强度的关系进行分析,得出了包含波浪对流影响的紊动尺度;再通过Kolmogorov-Prandtl公式,得出了沿程悬沙扩散系数垂向分布;(4)根据紊动尺度的选择,建立了波浪不破碎情况下的泥沙扩散系数模型;(5)应用波浪不破碎情况下泥沙沉速分布形式和泥沙扩散模型代入垂向一维泥沙扩散方程计算实验波况下的悬沙浓度垂向分布,计算结果与实测浓度较为相近;(6)通过引入破碎波浪表面悬沙扩散系数表达式,对Ogston的泥沙扩散系数模型进行修正,并基于波浪不破碎情况下的泥沙扩散系数模型,分别建立了破碎带外区和破碎带内区泥沙扩散系数模型;(7)用建立的泥沙扩散系


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