study on the log linear velocity profileof near bed tidal current in estuarine and coastal waters
10页1、河口和沿海水域河床附近潮汐对数线性流速剖面研究宋志尧 ,严以新,郝嘉凌,孔俊,张红贵国家水文水资源与水利工程重点实验室,海洋学院,南京河海大学,210098摘要:许多观测数据表明,近底潮流流速剖面偏离传统的对数定律。数额偏差可能不太大,但它的结果误差较大时,对数流速剖面是用来计算河床粗糙度和摩阻流速(或剪应力)。在调查研究的基础上,郭等人(1996)表明。该偏差幅度可能超过100%。基于流体动力学原理,河床附近潮汐在河口和沿海水域被引入普朗特混合长度理论和冯卡门自相似性理论。通过拟合计算的近底流速剖面观测数据,结果在英国西索伦特海峡与那些传统的对数模型进行了比较,这是表明目前的近底流速剖面模型在粗糙高度和摩阻流速方面具有较高的拟合精度,和更好的内在一致性。计算的粗糙度和摩阻流速更接近现实。验证的结论是,对数模型在潮汐加速时低估了粗糙度和摩阻流速,在潮汐加速度时高估了粗糙度和摩阻流速。关键词:潮流流速分布;对数定律;粗糙度;摩阻流速1.介绍由于地理位置的优势和重要性在国民经济的发展,开发和利用河口海岸的加速,造成许多问题:如环境和海滩的演变所造成的污染物传输和扩散,以及泥沙冲淤。这些问题
2、正在吸引越来越多的学者的关注。流动环境中的河口和沿海水域比河流更为复杂,因为它是受联合行动的潮汐和潮流,以及波和风影响,所以流体结构非常复杂,需要进一步研究的有关问题。河床附近层流和紊流之间的相位滞后由于河床摩擦起重要作用,近底泥沙侵蚀和运输,及污染物输移扩散。因此,在研究在河口与海岸工程中,准确预测近地流速流速剖面及其相应的剪应力具有重要的意义和应用价值。一般潮流在河口和沿岸起着主导作用。潮流区别于河流在于它的周期性和不稳定的水位变化和流动速度,这些不同导致河床附近加速和减速的潮流,共同产生河床阻力、水流惯性力,这些力都是由于水流表面梯度引起的由于动床摩擦,水流惯性力,造成的压力梯度的水表面,近底水流大大不同于离河底远的水流。潮流流速度的增加通常是随着水流离河床高度的增加而增加,形成重要的河床边界层(马克和卡根,1989)。因为潮汐流速分布在近底边界层,研究成果对明渠恒定流通常适用,即对数定律(王等人。1989;亚伯拉罕,索尔斯比,1992;Soulsby1997;科林斯等人1998;宋、刘,2000;宋,2002;杨,2004)。索尔斯比和戴尔(1981)指出,近底流速剖面在潮流加
3、速时偏离对数定律,他们提出的速度剖面公式通过引入一个加速长度,是一个与河床粗糙度相关的常数,他们还指出,当对数定律应用于现场数据时,潮流加速时粗糙度和摩阻流速会被低估60%和20%,潮流减速时粗糙度和摩阻流速会被高估80%和20%。郭等人,(1996)通过理论分析得到了底部切应力在非定常流下的控制方程,推导出线性公式,近底流速的一般摄动法求解方程,并且数值测试表明,通过对数定律得到的粗糙度和摩阻流速误差超过100%。然而,以上介绍了加速度的长度和摄动参数没有明确的物理意义,同时,粗糙度和摩阻流速分析之间的一致性没有考虑。因此,基于流体动力学和利用普朗特混合长度和冯卡门自相似性理论,河口和海岸水域附近近底潮流的对数线性流速剖面被建立。通过拟合的近底流速剖面测量在西索伦特的最小二乘法,它是显示计算的粗糙度和摩阻流速有较高的内部一致性,更接近现实,从常用对数定律来说表明对数线性速度分布更为合理。2.控制方程假设水是均匀的和不可压缩的,这个假设同样适用于解决紊流应力,这是类似的粘性应力。由于近床速度很小,当忽略对流和横向扩散的条件,控制方程潮汐水流近底边界层可以写为(Fang and Ichi
4、ye,1983):(1a)(1b)其中x,y,z是右手系笛卡尔坐标;t是时间,u,v分别是是x水平方向和y水平方向的速度分量;P是压力,f是科氏参数;分别是x,y方向的横向剪切应力。为了理论研究,作一个eq(1)在x方向的投影:(2)这里U=和分别是潮流沿着流动方向的总速度和剪切应力。3.紊流模型紊流,这是一种高度复杂的三维非定常流动,是自然界流体运动的一个重要的动力特质。它包含各种参数,如速度,压力,等等,不同的随机时间和空间。紊流模型是一种表达方程涉及的紊流粘性系数与紊流时均参数。根据一些差分方程确定紊流粘性系数,紊流模型可以分为零方程模型,一个方程模型,和双方程模型。为了寻找一个正确的方法处理雷偌应力,Bossinesq在1877年首先介绍了涡流了粘度的概念。他假定紊流应力类似粘性应力,即紊流应力与速度梯度成正比。比例系数是涡粘性系数,定义为,这里U是时均流速,A是垂直涡动粘性系数 很多早期研究潮流垂直结构的研究者采用线性层流流动模型,这个模型证明了底摩阻对潮流垂直结构的影响,但近底流速剖面与现场数据不一致,一些学者介绍涡粘系数及其分布自1960,如线性涡粘性系数(卡根,1966
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