波浪作用下悬沙浓度分布的理论模式研究

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在河口海岸地区,波浪是泥沙悬扬的主要动力因素,研究波浪作用下特别是破波带内的悬沙运动对海岸泥沙运动的研究具有十分重要的意义。本文从波浪作用下悬沙运动的机理出发,以平衡条件下的二维悬沙扩散方程为基础,考虑水体对泥沙的悬浮作用,采用分层模式,分别建立了非破碎波和破碎波作用下的悬沙扩散系数模型。由于破波带内情况复杂,以往的研究主要针对非破碎波作用下的悬沙分布,本文重点讨论了波浪破碎后的悬沙浓度分布模式。边界层内借鉴You和Wilkinson的研究成果,突出紊动对泥沙悬浮的影响;边界层外上部水体的泥沙扩散主要与波动水质点的周期运动有关,故从能量角度出发,选用线性分布,并考虑波能耗散的影响;下部水体为紊动作用和波动作用同时作用的过渡水体,故需要同时考虑紊流切应力和水流流速分布对扩散系数的影响。同时考虑各层之间的连续性,确立了破碎波作用下的全水深分布的悬沙浓度分布表达式。最终,建立了比较完整的波浪作用下(包括波浪未破碎和波浪破碎两种情况)的悬沙浓度分布的理论模式。床面形态对悬移质运动具有重要的影响。基于沙纹床面形态的研究,分别研究波浪未破碎和破碎时的床面形态特征,确定了分别适合波浪破碎和未破碎两种形态下的波浪参考浓度,进一步提高了理论模型的可靠性和精度。根据实验资料对所建立的悬沙分布理论模型进行验证,验证结果良好。并重点分析不同的影响因素对悬沙浓度分布的影响,影响因素包括:床面条件(地形和摩阻)、波浪条件(波高和周期)、泥沙粒径、悬浮指标、温度、破波类型、修正系数的取值。除此之外,本文还结合验证分析了破波带内悬沙浓度的沿程变化情况。
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