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水利工程论文-潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究.doc

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水利工程论文-潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究.doc

水利工程论文-潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究摘要:本文将湍流猝发理论用于潮流与波浪共同作用下挟沙能力的研究。基于湍流猝发的时空尺度得到波浪和潮流作用下床面泥沙上扬通量,然后根据连续律,建立了平衡近底含沙量的理论表达式。进而根据波浪掀沙和潮流输沙的模式,推导得出了物理概念清晰和充分考虑床面附近泥沙交换力学机理的潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式,经过黄河口实测资料的验证,计算与实测符合良好。关键词:湍流猝发挟沙能力波浪掀沙潮流输沙1前言长期以来,人们对床面附近泥沙交换的力学机理的认识并不十分清楚,即使对于较为简单的二维恒定均匀流,国内外学者处理其底部泥沙边界的方法亦有六类之多[1]。相比之下,潮流与波浪共同作用下的床面泥沙运动就更为复杂。正因如此,一般采用经验分析、因次分析、明渠水流挟沙能力公式的移植和能量平衡等方法建立潮流和波浪作用下的挟沙能力公式,以回避床面泥沙交换的微观机理[2]。床面附近的泥沙交换主要表现为重力作用下悬沙的沉积和床面泥沙颗粒在湍流运动作用下的上扬。以往传统的做法是采用扩散理论确定上扬的通量,即单位时间内穿过单位截面的扩散量应与浓度梯度成正比,等于浓度梯度与扩散系数的乘积,扩散系数的大小决定于产生扩散现象的原动力-涡体的脉动。在输沙平衡的情况下,在床面附近单位时间内穿过单位截面的上扬通量和沉降通量相等,则有ωSb+εsdS/dz|z=-h=0(1)式中Sb为近底含沙量。因此,要使潮流和波浪作用下的水流挟沙能力的研究得到较快发展,突破传统的扩散理论是十分必要的。近些年来,随着对湍流猝发现象研究的深入,加之泥沙起动的间歇性和突然性,使一些学者联系到湍流(或称紊动)猝发现象。自Sutherland[3]提出泥沙起动与湍流猝发有关的论点以来,湍流猝发与泥沙运动相互关系的研究发展迅速[4~12],主要是通过可视化的试验研究近床区湍流卷挟悬扬泥沙的机理。Jackson[13]通过野外观测分析,认为冲积河流中自由表面经常出现的沸腾状的浑浊水花是紊动猝发卷挟泥沙的具体表现。研究结果表明,床面泥沙的交换主要表现为紊动猝发作用下的泥沙上扬和重力作用下悬沙的沉降。截至目前,紊动猝发理论主要集中于水槽和河流泥沙运动的研究,较少用于河口海岸泥沙运动的研究。事实上,河口海岸地区由于波浪和潮流的作用,近底床面更易发生紊动猝发现象。因此,本文引入紊动猝发理论,研究波浪和潮

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