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波浪对潮流影响的数值模拟研究

王世澎  
【摘要】: 对于海岸河口地区,波浪和潮流是最基本的水动力因素,对海岸带的开发、利用和管理起着重要的作用。波浪与潮流之间存在着相互影响。由于时间尺度或空间尺度,两者都存在很大的差别,因此研究波浪对潮流影响时存在很大的困难。波浪对于潮流的影响主要可以归结为:波浪辐射应力,波浪产生的表面和底部的边界层,Stokes漂流与Coriolis波浪应力。本文通过多重尺度展开方法,将以上的波浪影响,以附加项的形式添加到潮流方程中,研究其对潮位和流速过程的影响程度。研究的内容主要包括: 通过多重尺度展开方法,将波浪的影响参数化,推导出考虑波浪影响的潮流控制方程。利用量纲分析原理,对基本方程进行量级分析,确定不同波浪影响因素的量级。依据其结果,建立三个计算区域,分析波浪不同的影响因素导致潮流引起的变化,并且建立考虑波浪不同影响的判别标准。 对于二维情况,由于不考虑潮流的垂向结构,通过垂向积分后,波浪的影响因素主要为:波浪辐射应力,底摩阻以及Stokes漂流。因此,只是针对小区域变水深情况下进行模拟。通过建立的理想地形,分析其对于潮位和流速影响,并且考虑波浪破碎后产生的沿岸流动与潮流的叠加。从其计算结果中可以看出,无论是辐射应力,底摩阻还是斯托克斯漂流的影响,均是通过流速过程体现的。 在三维条件下,详细分析了不同波浪影响因素对于潮流潮位和流速的影响。根据量纲分析中得到的波浪影响的量级,在三种计算地形下,模拟了不同波浪影响因素对于潮流垂向结构影响。从其计算结果中可以看出,Coriolis波浪应力使得潮流流速垂向重新分布,其影响深度为Stokes深度,根据不同的位置,会产生不同的影响。Stokes漂流对于潮流的影响,相当于在潮流流速上添加一附加的流动,表层影响最大,随着深度的增加,影响逐渐减弱。波浪存在产生的表面和底部的边界层对于潮流的影响,与波浪水质点的运动有直接关系。表面边界层对于水体影响很小,可以忽略。底部边界层的影响随着水深的减小而增大。在近岸区域,波浪辐射应力对于潮流影响较大,使得水体在表层和底部流速均增大。 最后将本文得到的模型应用到渤海海域中,分析渤海内波浪对于潮流的影响。通过对渤海海域内风场资料的分析,选取SW向的风,利用SWAN模式计算渤海海域的风浪场。将波浪的五种影响因素同时添加到潮流计算中,分析波浪对于流场的影响情况。


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