[发明专利]波浪-淤泥相互作用实验测量装置及计算分析系统

说明书

本发明涉及一种波浪‑淤泥相互作用实验测量装置，包括水槽，设在水槽内部的造波机、波高传感器、测波仪以及流速仪，水槽底部在预设距离段设有泥层，测波仪设有多个且等距间隔设在泥层上方，测波仪的排列方向与泥层的长度方向一致；造波机产生波浪后，各测波仪分别测量水面波高，得到泥层开始处的入射波高以及泥层上衰减波高。同时还提供一种波浪‑淤泥相互作用计算分析系统，包括实验室室内实验、波浪水槽实验以及波浪‑淤泥相互作用模型构建与模拟分析系统。上述技术方案建立了真正的模拟波浪‑淤泥相互反馈作用和响应过程的数值模型，能够更确切地了解波浪、水流参数，准确预测和控制淤泥质河口海岸泥沙的冲淤演变。

技术领域

本发明涉及波浪淤泥相互作用技术领域，具体涉及一种波浪-淤泥相互作用实验测量装置及计算分析系统。

背景技术

以粘性细颗粒沉积物为主的淤泥质海岸占我国总海岸线的近1/3，淤泥质底泥和粘性悬沙的输移不但是造成岸滩侵蚀、航道骤於的主要原因，对有机物的输移、近岸富营养化过程也具有重要影响。在淤泥质河口海岸环境中的波流运动和泥沙运动规律，与在岩质或沙质河口、海岸环境中的存在着很大差异。淤泥层的粘性耗散作用使衰减波浪，产生波能梯度及其相应辐射应力梯度，推动淤泥运动，引起沿波浪传播方向上的淤泥的流动，甚至能向更远的海岸水域搬运淤泥，这导致淤泥沉积物的分布调整，堆砌淤泥层，相应增加淤泥的厚度。这些现象反过来会影响波浪传播及波浪荷载能力，进而影响海岸保护、工程建设及航道疏浚。因此，准确预测泥质海岸波浪-淤泥相互作用对了解淤泥质海岸近岸演变、泥沙输移过程、海洋工程设计和航道利用维护等方面具有重要意义。

波浪与底泥二者之间的相互作用、相互影响往往很大，淤泥质底泥在波浪作用下所呈现出的非线性流变特性使波浪和淤泥的相互作用过程变得十分复杂，其中的许多动力学过程及其机理还没有被我们认识，针对这一问题进行深入的研究既具有重要应用背景又具有重要的科学意义。要更确切地了解波浪、水流参数，准确预测和控制淤泥质河口海岸泥沙的冲淤演变，很有必要开展波浪与淤泥质底床相互作用过程及非线性耦合机制相关问题的深入研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种波浪-淤泥相互作用实验测量装置及计算分析系统，能够更确切地了解波浪、水流参数，准确预测和控制淤泥质河口海岸泥沙的冲淤演变。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种波浪-淤泥相互作用实验测量装置，包括水槽，设在水槽内部的造波机、波高传感器、测波仪以及流速仪，所述水槽底部在预设距离段设有泥层，测波仪设有多个、且等距间隔设在泥层上方，所述测波仪的排列方向与泥层的长度方向一致；造波机产生波浪后，各测波仪分别测量水面波高，得到泥层开始处的入射波高以及泥层上衰减波高。

同时还提供一种波浪-淤泥相互作用计算分析系统，包括利用上述波浪-淤泥相互作用实验测量装置进行的实验室室内实验、波浪水槽实验以及波浪-淤泥相互作用模型构建与模拟分析系统，所述实验室室内实验进行淤泥粒度及组成成分分析、淤泥的流变性质测量分析，明确淤泥流变性质量与粒径、含水率、密度、沙含量的内禀关系；所述波浪水槽实验进行波浪作用及相关量模拟、淤泥底床相关量测量，确定波浪要素与淤泥底床表征量之间作用关系及其响应机制；波浪-淤泥相互作用模型构建与模拟分析系统进行数值波浪-淤泥相互作用模型的构建以及数据分析，确定波浪-淤泥非线性相互作用模式、作用变化过程与响应机制。

所述数值波浪-淤泥相互作用模型的构建方法如下：

首先，使连续方程和动量方程构成一个封闭系统，则需要给定反映流体物理性质的本构方程；对于牛顿流体：

τ_ij＝2μ₀d_ij

式中：τ_ij为应力偏张量；i，j＝1，2，对应通常的笛卡尔坐标x，z方向；μ₀为动力粘度；