非线性波浪冲击作用下可渗透海岸的侵蚀特性研究

China is one of the countries in the word where coastal erosion is most severe, and the direct and indirect economic loss due to coastal erosion is over 2 billion yuan each year. Wave impact is a major reason for coastal erosion, which was studied mainly by experiments previously. It is difficult to forecast the coastal erosion speed under wave impact by means of numerical simulation. Based on the above reasons, the coastal erosion properties under wave impact are investigated through experiments、theoretical analysis and numerical simulation in the present research. As to experiments, the process of nonlinear wave impact on silty and sandy coast is simulated, the flow velocity and hydrodynamic pressure are measured, and the coastal erosion process is captured; As to theoretical research, the permeable and erodible boundary condition of the coast are given based on the experimental data, which is used to substitute the traditional impermeable body surface boundary condition; As to numerical simulation, the implicit boundary condition of the coast and the governing equation are solved together. The boundary element method and the boundary layer method with fully nonlinear boundary conditions are adopted to simulate the process of wave impact on the coast with and without considering the permeability. The plunging wave and the trapped bubble during wave impact on the coast is studied. The influence of fluid viscosity, coast permeability and bubble motion on wave force and erosion speed is investigated and the coastal erosion mechanism under wave impact is uncovered.

我国是世界上海岸侵蚀灾害最为严重的国家之一，每年因海岸侵蚀造成的直接和间接损失超20亿元。波浪冲击是引起海岸侵蚀的主要原因，以往研究主要以实验为主，缺乏有效的数值模拟手段对波浪冲击作用下的海岸侵蚀速度进行预测。鉴于此，本课题拟联合采用实验研究，理论研究和数值模拟的手段探讨波浪冲击作用下的海岸侵蚀特性。关于实验研究，开展非线性波浪冲击淤泥质和沙砾质海岸的实验，测量流速和压力等物理量，拍摄海岸侵蚀过程；关于理论研究，借助实验数据，给出海岸渗透和侵蚀边界条件，取代传统的物面不可穿透边界条件；关于数值模拟，将隐式海岸边界条件与控制方程联立求解，采用全非线性边界条件下的边界元法和边界层方法，模拟不考虑渗透性和考虑渗透性时波浪冲击海岸的过程，研究波浪冲击海岸时翻卷波的形成和翻卷波卷入气泡的过程，探讨流体粘性、物体渗透性和气泡运动对波浪冲击力和海岸侵蚀速度的影响，揭示波浪冲击作用下的海岸侵蚀机理。

海岸在风、浪、潮汐、海流等作用下，泥沙减少沉积物净损失的过程称为海岸侵蚀。我国每年因海岸侵蚀造成的直接和间接损失超20亿元，可见海岸侵蚀已经成为我国迫切需要解决的问题之一。波浪冲击是引起海岸侵蚀的主要原因，以往研究以实验为主，缺乏有效的数值模拟手段对波浪冲击作用下的海岸侵蚀速度进行预测。.本课题联合实验研究、理论研究及数值模拟来探讨波浪冲击作用下的海岸侵蚀特性。首先分别开展了非线性波浪冲击淤泥质和沙砾质海岸的实验，测量了冲击过程中的流速和压力等物理量，对海岸侵蚀的整个过程进行了记录；然后借助实验数据进行了理论研究，确定了海岸渗透和侵蚀的边界条件，取代传统的物面不可穿透边界条件；最后进行数值模拟，将隐式海岸边界条件与控制方程联立求解，采用全非线性边界条件下的边界元法和边界层方法，结合实验结果，分析了流体粘性及物体渗透性的影响；联合边界元法、域分解方法、改进的欧拉方法，引入了辅助函数方法及射流处理技术等先进的技术手段，建立了全非线性边界条件下气泡、波浪和海岸耦合作用的数学模型。.通过本课题的研究，得到了淤泥质和沙砾质海岸在非线性波浪冲击下的侵蚀特征，确立了海岸渗透和侵蚀边界条件，建立了一套完善的非线性波浪冲击作用下的海岸侵蚀的研究方法，模拟了不考虑渗透性和考虑渗透性时波浪冲击海岸及翻卷波形成和入水的过程，对气泡卷入和气泡射流二次冲击海岸的现象进行了分析，探讨了流体粘性、物体渗透性和气泡运动对波浪冲击力和海岸侵蚀速度的影响，揭示了非线性波浪冲击作用下的海岸侵蚀机理及特性。.综上，本课题从实验、理论及数值方面对非线性波浪冲击作用下的海岸侵蚀特性进行了系统的研究，研究手段复杂先进，具有重要的科学价值。研究成果可为防波堤设计以及海岸侵蚀防护措施的制定提供理论依据，具有广阔的应用前景及工程价值。