非对称歪斜波作用下的层移输沙特性研究

Sediment transport at high stress as complex skewed-asymmetrical wave induced sheet flows has been concerned very much due to many engineering problems in estuary and coastal areas caused by hyper concentrated flow and very large sediment transport rate. An analytical method would be developed to predict erosion depth and Nikuradse roughness under sheet flow conditions based on two-phase equations, skewed asymmetrical wave theory, wave boundary layer theory and unsteady sediment distribution model over mobile seabed. With concentrations and velocities over mobile seabed given by erosion depth and Nikuradse roughness, new instantaneous formulas for pickup rate and transport rate would be derived for sediment transport under skewed asymmetrical waves. Two-phase numerical model and experiment data would be applied for further validation. Concentration and velocity distribution, erosion depth and sediment exchange characteristics could be well obtained. Observed instantaneous transport rate proportional to different velocity orders under different flow conditions would be unified summarized by present model. Investigations are mainly focused on the prediction improvement of instantaneous and net sediment transport rates, erosion depth and Nikuradse roughness caused by accounting phase-lag, suspension sediment, wave shapes, acceleration, and the boundary layer thickness developing within wave cycles. Model results are expected to support key parameters in previous two-phase turbulent numerical model for seabed evolution.

非对称歪斜波作用的层移输沙现象因波形复杂、对应较大的底床切应力和输沙量、对海岸地貌影响较显著而备受海岸工程研究关注。本项目将基于两相控制方程、非对称歪斜波理论、波浪边界层理论和非恒定流动的泥沙浓度分布理论推导非对称歪斜波作用下层移输沙的动床面侵蚀深度、输沙层厚度、尼古拉兹粗糙高度及其对应的扬沙率和输沙率。在此基础上结合已有的两相数学模型及实验数据，研究非对称歪斜波作用下的层移输沙特性。成果可揭示非对称歪斜波作用下层移输沙基本特征，准确描述各种动力下的时空浓度、流速、含沙层侵蚀深度、垂向及水平向上的物质交换，并统一表达不同流动条件下的瞬时输沙率周期变化对应的不同流速次数。成果将体现相位差、悬移质、波形、加速度以及波浪边界层的发展等因素对输沙的综合影响，可为复杂水动力条件下高含沙量的宏观水沙两相紊流数学模型提供特殊的参数依据，并推广应用于岸滩演变等问题，提高模型精度。

一、项目的背景.非对称歪斜波作用下层移输沙现象因波形复杂性、对应较大的底床切应力和输沙量、对海岸地貌影响较显著而备受海岸工程研究关注。发展一个适合于非对称歪斜波的泥沙模块，提供其作用下的扬沙率、瞬时输沙率和净输沙率等重要的物理量，可作为岸滩变化研究依据和数学模型的边界条件，进而为南海岛礁和港口建设、深水航道整治和跨海大桥建设等涉及的冲於分析提供依据，具有重要的理论意义和工程价值。.二、主要研究内容.在推导非对称歪斜波动床面系列物理量的基础上，结合已有两相数学模型及实验数据，研究非对称歪斜波作用下的层移输沙特性，丰富近岸复杂水动力环境下泥沙运动力学理论。研究内容为申请书设定的三个模块：(1)非对称歪斜波层移输沙过程中泥沙运动的基本特征；(2)非对称歪斜波层移输沙过程中复杂动力相关因子对基本物理量的影响；(3)整套非对称歪斜波的层移输沙理论解在水沙两相模型中的适用性。.三、重要结果.项目完成了非对称歪斜波层移输沙机理的理论推导，进而完成三个设定目标：(1)获得一套适合于非对称歪斜波层移输沙的解，揭示非对称歪斜波层移输沙特性，充实非恒定流动输沙理论；(2)依托推导的理论解，提供参数选择的理论依据，改进水沙两相紊流模型；(3)为宏观水沙模型提供非恒定类型的边界条件替代传统恒定流边界条件，提高河口海岸泥沙模拟的准确度和精细度。成果揭示非对称歪斜波作用下层移输沙基本特征，准确描述各种动力下的时空浓度、流速、含沙层侵蚀深度、垂向及水平向上的物质交换，并统一表达了不同流动条件下的瞬时输沙率周期变化对应的不同流速次数。.四、关键数据及其科学意义.第一作者撰写SCI论文12篇（已发表10篇），第一完成人申请发明专利8项（已获批3项）。成果体现非对称歪斜波复杂动力因素对输沙的综合影响，可为复杂水动力下高含沙的宏观水沙两相紊流模型提供特殊的参数依据，并推广于岸滩演变问题。