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礁面糙率影响下珊瑚礁海岸附近波浪传播变形和爬高研究

礁面糙率影响下珊瑚礁海岸附近波浪传播变形和爬高研究

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作者：何天城长沙理工大学

学位级别：硕士

近年来随着国内外对珊瑚岛礁的开发力度逐渐加大,在珊瑚岛礁周围建设诸如灯塔、码头、机场、油气开采平台等设施日益增多。此类工程设施常处于远海地区,海况恶劣,周围海底地形变化剧烈,如何在诸如风暴潮等极端气候下对其进行建设和维护... 详细信息

近年来随着国内外对珊瑚岛礁的开发力度逐渐加大,在珊瑚岛礁周围建设诸如灯塔、码头、机场、油气开采平台等设施日益增多。此类工程设施常处于远海地区,海况恶劣,周围海底地形变化剧烈,如何在诸如风暴潮等极端气候下对其进行建设和维护是一个亟待解决的问题。在珊瑚岛礁周围众多的海洋动力因素当中,波浪作用被认为是最重要的因素,除波浪破碎外,由于珊瑚群落的存在,珊瑚礁礁面糙率比沙质岸滩高出1～2个数量级,因此礁面粗糙度亦是造成珊瑚礁海岸波浪衰减的一个主要因素。研究礁面糙率对珊瑚礁近岸水动力过程的影响,将有助于进一步完善和发展珊瑚礁水动力学理论,并为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考,也可用于校核与波浪破碎相关的数值模型。本文基于概化的珊瑚礁模型,通过波浪水槽实验,采用圆柱体阵列来模拟生长有鹿角类珊瑚的珊瑚礁面,研究了珊瑚礁海岸附近规则波的传播变形规律。实验主要采用视频采集系统结合波高采集系统,测试了粗糙礁面和一系列规则波况的组合工况,并与光滑礁面的情况进行了对比实验。首先研究了礁面糙率对规则波破碎特征的影响;并进一步分析了粗糙礁面对规则波传播变形和岸滩爬高的影响。最后基于三维不可压缩Navier-Stokes方程,利用OpenFOAM开源代码中的两相流求解器waves2Foam,结合孔隙介质理论,建立适用于粗糙礁面的三维数值模型,通过物理模型数据验证数值模型的可行性,并运用该模型讨论了波浪传播变形、爬高和波生流的沿礁变化。分析结果表明:礁面糙率的存在能显著地改变波浪的破碎过程,相较于光滑礁面,粗糙礁面模型下波浪的破碎点位置靠近岸侧,波浪的相对破碎带宽度较短,波浪的破碎波高较小,波浪的破碎水深较小;随后,基于实验测量结果提出了两种礁面上波浪的破碎点位置、相对破碎带宽度、破碎指标(破碎波高指标、破碎水深指标)的经验关系式。相较于光滑礁面,粗糙礁面模型下各波浪测点位置处的波幅均有减小,破碎带外的偏度显著减小,不对称度和厄塞尔数则增大;二次谐波是礁坪上透射波的重要组成成分,粗糙礁面使主频波和二次谐波减小,对更高阶波的影响不显著;相对礁坪水深是描述礁坪上波浪透射的关键参数,礁面从光滑变为粗糙时海岸附近透射系数显著减小,能量衰减系数平均增大了 8%,但礁前反射系数与礁面糙率之间无明显关系;礁后岸滩爬高随着透射波高的增大而增长,最后提出了适用于大糙率礁面下预测规则波爬高的经验公式。本文基于开源CFD程序包OpenFOAM,建立了波浪与珊瑚礁相互作用的数值水槽,结合孔隙介质模型,模拟了规则波在粗糙礁面上的传播变形和波浪爬高,并与光滑礁面结果进行了对比。其数值计算结果与物理实验中的结果均吻合较好,表明该数值模型可较好的预测粗糙礁面下的自由液面沿礁变化和礁后岸滩上的波浪爬高,并进一步分析了波生流和涡量场的沿礁变化。

关键词：礁面糙率波浪破碎波浪非线性波浪爬高 Navier-Stokes方程隙介质模型

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