往复急变流作用下的沙质岸滩非恒定输沙规律研究

It is very vital to study and understand the mechanism of nearshore sediment transport and coastal evolution in coastal engineering research at present. The proposed study focuses on the reciprocating rapidly varied flow on sandy beach in process of wave uprush and backwash in swash zone. The laboratory experiments are firstly performed in a wave-flow flume to investigate the hydrodynamics, turbulence, non-cohesive uniform sediment movement and unsteady sediment transport under unidirectional and reciprocating rapidly varied flow action respectively. Some advanced instruments, such as Particle Image Velocimetry etc, are widely used in this research. Then the theoretical analysis are carried out. Based on the analysis of forces acting on the sediment, the sediment incipient motion condition is deduced including the vertical flow motion and slope effect. The movement process of contact load and saltation load are analyzed. The motion theory model and mechanical equation of contact load and saltation load are established. The velocity process with different skewness of speed and acceleration condition are investigated to determine the impact of unsteady sediment transport. The characteristics and mechanism of unsteady bed load sediment transport are presented. The equation of bed load rate for unsteady processes is established. The proposed study will be beneficial to coastal engineering construction and academic development.

掌握近岸地区泥沙运动及其输运机理是目前海岸工程研究中极其重要的前沿课题。本研究针对沙质岸滩波浪上爬和回落过程中产生的往复急变流，首先从实验研究入手，基于PIV等现代化的测试手段，测量并分析单向急变流和往复急变流作用下的流速分布、紊动特性、无粘性均匀沙运动和岸滩非恒定输沙规律。在此基础上开展理论分析工作。考虑岸滩坡度和垂向流速的影响，开展泥沙颗粒受力分析，推导泥沙起动的临界条件。探求接触型推移质和跳跃型推移质的运动机理，并建立其运动理论模型和力学方程。系统研究流速过程的速度偏度和加速度偏度效应对泥沙输运的影响，探讨推移质非恒定输沙规律及特性，推求推移质输沙率公式，为海岸工程建设和学科发展服务。

掌握近岸地区泥沙运动及其输运机理是目前海岸工程研究中极其重要的前沿课题。本研究从水槽实验试验入手，通过现代化的测试手段对往复急变流作用下的泥沙运动开展研究，主要工作和成果如下：(1) 对非恒定流的动力学特性进行分析，基于Saint-Venant方程，求解非恒定流传播过程中的床面剪切应力和摩阻流速，分析传播过程中的水流结构及其各水动力要素如非恒定参数、摩阻流速、床面剪切应力等因素的相互作用关系，得到了非恒定流的传播速度、流量和水深的滞后变化规律。(2) 从动力学的角度出发，基于泥沙颗粒受力模型，通过加入非恒定流特征参数项来表征非恒定流条件下对泥沙颗粒产生的惯性力，采用Morison方程中对惯性力的计算方法，引入到泥沙颗粒的切向运动方程和法向运动方程中，进而分别建立非恒定流条件下的均匀沙与非均匀沙颗粒滚动运动方程，分析泥沙颗粒运动的动力学特性，推导非恒定流作用下的起动流速与运动步长的解析解，揭示了非恒定流作用下的推移质颗粒的起动速度和运动步长与速度偏度，粒径和暴露度之间的关系。(3) 对非恒定流作用下的推移质起动和输移机理开展实验研究。探求非恒定流作用下的均匀沙与非均匀沙输沙率公式，分析了速度偏度、粒径对泥沙输运的影响，发现通过数值积分将非恒定流转换成相同时间下的恒定流流速后，其输沙率明显小于非恒定流，同时发现了输沙强度同水流强度参数、非恒定参数呈现良好的对数关系。同时，通过对非均匀沙的最终输沙结果进行粒径筛分，得到了非均匀沙的分组粒径输沙规律，发现非均匀沙的代表粒径并不能采用单一的床面粒径，随着泥沙分布的不同，代表粒径在发生变化。该项目研究成果可为海岸工程建设和学科发展服务。在本项目资助下，已发表学术论文23篇，其中SCI收录4篇、EI收录4篇，共培养已毕业硕士研究生4名。