河口海岸近底層水流結構及摩阻特性研究.pdf

1、本文從流體動力學原理出發(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構的對數線性模式及其擴展模式，籍此，從理論上進一步研究潮流運動的摩阻特性。 底部剪切應力可由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。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）經驗阻力系數法。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，因此對于該方法的有效性進行了驗證，并應用于ADCP實測數據，與傳統(tǒng)最小二乘法進行比較。同時探討采用枚舉法結合最小二乘法確定流速剖面參數，詳細敘述求解過程并用于實測流速資料的擬合分析。 許多現場實測資料表明，潮流近底流速剖面偏離傳統(tǒng)的對數分布。雖然偏離值可能不大，但利用對數剖面去計算河底粗糙長

3、度和剪切應力時會引起較大的誤差。有研究者的數值試驗表明，如果通過流速是對數分布來估計粗糙長度和底部切應力，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行枚舉粗糙長度z<,0>結合最小二乘法擬合，并將計算結果與傳統(tǒng)的對數模式的結果比較，表明本文建立的對數線性模式有以下優(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<,*>的相關系數更高，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線性模式對近底層的數據要求較高，一般近底1m之內至少需要四層測量數據，而這些數據在實際應用時很難得到。因此，本文根據潮流運動特征，增加表面梯度為零的約束條件將該模式進行擴展研究，使其能適用于傳統(tǒng)的六點法測量數據。該擴展模式為對數拋物模式，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，并與對數擴展模式比較，結果表明

5、該潮流速分布模式在各層數據上都與實測數據具有良好的相關性且物理量z<,0>與u<,*>之間具有更好的一致性和相關性，可應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構產生作用，因此，考慮引入實際的表面流速梯度，得到改進的對數擴展模式和改進的對數線性擴展模式。并對兩種改進模式與兩種擴展模式對實際河口海岸進行阻力系數的計算。并給出推薦模式為對數