автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические характеристики взаимодействия ветровых волн и течений

московский государственный строительный университет

На правах рукописи

КАНТАРЖИ Измаил Григорьевич

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕТРОВЫХ ВОЛН И

ТЕ" Я1

(05.23.16 — гидравлика и инж нерная гидрология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1995

Работа выполнена в НИИ ВОДГЕО и в Московском государственном строительном университете.

Официальные оппоненты:

'Доктор географических наук, профессор Р. Д. Косьян Доктор технических наук, профессор Г. Н. Смирнов Доктор технических наук, профессор И. А. Шеренков

Ведущее предприятие — Институт «СоюзморНИИпроект».

Защита диссертации состоится « Д'. » . . 03. . 199Гг. К V

в « 1> . » часов на заседании диссертационного совета Д.053.11.04 в Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Спартаковская улица, д. 2 в аудитории 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МГСУ, Ученый совет.

Автореферат разослан

» ... 91. . 199 5" г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н. Н. Лршеневский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблелы. Взаимодействие поверхностных поли с течениями встречается как в морской гидравлике, в частности в гидравлике береговой зоны моря, так и в речной гидравлике.

По-видимому» одной из первых прикладных задач, стимулировавших. исследования волн на течении, является задача прогноза волнового режима на шельфе и в береговой зоне прилианих морей. Ветровые волны могут непосредственно формироваться в зоне океанского течения, здесь возникает другая задача - развитие ветровых волн на течении. Причем, она мокет осложняться близостью береговой линии.

Знание элементов волн на течениях необходимо для расчета суммарных нагрузок от волн и течения на располчкенные на шельфе и в береговой зоне нефтедобывающие сооружения. Эта задача сохраняет свою актуальность: до настоящего времени в связи, с расширением практики нефтедобычи на шельфе, в том числе на шельфах прилишых морей. Кроме того, условия местного размыва при совместном действии волн и течения отличаются от ситуаций, когда эти факторы действуют раздельно.

На устьевом взморье речной поток формирует течение, скорость которого для крупных рек также может достигать нескольких метров в секунду. Процессы, происходящие на устьевых взморьях, играют важную роль в динамике прилегающих участков береговой зоны. Кроме того, различные гидротехнические сооружения могут возводиться на взморье или в устье реки. Речное взморье может быть искусственным, .если речь идет об организации сброса значительных расходов вода в береговой зоне, в частности, сброса воды из охлаждающей системы энергетической станции.

Одним из основных течений в прибойной зоне моря является вдольбереговов течение, формируемое косоподходящими волнами в результате обрушения. Это течение определяет вдольбереговой транспорт наносов, который, как правило, является основным фактором эволюции береговой линии. Расчеты вдольберегсоых течений и вдольберегового расхода ■ наносов важны при решении задач берегозащиты, заносимости портовы* сооружений, прогнозировании

еиолюции береговой линии. Кроме того,' вдольбереговые течения могу^ быть одним из важных факторов водообмена для отдельных участксщ береговой зоны. После формирования вдольберегового течения зона, схваченная этим течением, становится областью, где волны распространяются на течении. Прибойная зона является зоной взаимодействия волн с течениями не только вследствии наличия вдольберегового течения, но и других, индуцированных волнами течений.

Практически все названные выше задачи морской гидравлики встрочатся и на водохранилищах: определение параметров ветровых волн в области сопряжения водотока .с'магистральными-или концевыми водохранилищами, расчеты волновых; нагрузок и заносимости для водосбросов и водозаборов, расчеты вдольбереговых точений на естественных пляиах и пологих откосах дачб, переработка берегов, Серогозащита. Для водохранилищ могут возникать и 'специфические задачи, требующие учета взаимодействия волн к течений. Например, прогноз ветровых волн в нижнем бьефе для условий сброса расхода половодья или паводка, когда скорости течешш могут достигать нескольких метров в секунду. - . :

Далее, ^проблемы взаимодействия волн и течений можно сформулировать для крупных водотоков. Для таких водотоков (реки, каналы) могут формироваться ветровые волны высотой I ми более. Эти волны развиваются и распространяются на течениях и влияют на условия судоходства,- условия работы речных портов, шесте 'с течениями воздействуют на аварийные наплавные мосты и мосты-ленты, вызывают местные размывы у мостовых опор и донных трубопроводов. Кроме того, в условиях; крупных водотоков с размываемыми руслам и береговыми откосами, ветровые волны могут существенно влиять на общие и локальные размнвы. . *

В соответствии с изложенным, исследование гидравлических характеристик взаимодействия волн . с течениями представляется актуальной пройлелой. <

Исследования, результаты которых представлены в диссертационной работе, выполнялись примерно с 1980 года в соответствии с общегосударственными проектами, хоздоговорными и контрактными темами. •

Цель и задачи, работ. В соответствии с изложенным вшво, а также выполненным анализом существующих результатов были определены следующие задачи настоящей работы:

I.Разработка'гидравлических методов расчета развития ветровых волн на течениях.

II.Трансформация воли крупномасштабными точениям, неоднородными в горизонтальной плоскости и имеющими неоднородный по глубине профиль скорости.

III.Фильтрация частотного спектра волн встречным течением вследствие эффекта блокировки.

IV.распространение нерегулярных волн на береговом откосе при наличии встречного точения.

" V. Дедуцированные волнами течения в прибойной зоне, водообмен и качество прибрежных вод с учетом взаимодействия волн с течениями. : ./.-■"''■ '■■'.. '.-' - .

VI.Рефракция волн течением, неоднородным в поперечном направлении вследствие отражения косоподходяпгих волн от попутного течения.' ■

VII.Вдольберэговой перенос наносов и эволюция неукрепленной и укрепленной береговой линии с учетом взаимодействия волн и

,вдольбе'регового точения.

Научная иобизяа работа. Разработана методика расчета средних высоты и периода ветровых волн, развлваидихоя но течении, в том числе в условиях ограничения разгопа береговой линией.

Получены 'расчетные ' соотношения для параметров волн на неоднородных по -глубине течениях. Определены условия и степень влияния неоднородности профиля течешш по глубине на волны, в тон число . на ' кинематическое условие блокировки волн встречным течением. ,

Предложена и. стртфищгрована 'специальными лабораторным! экспериментами модель фильтрации частотного спектра волн встречным течением.

Рассмотрена рефракция воли сдвиговым в плане течением с учетом отраззнкя волн тапутпым течением. Предложена модель фильтрации частотного и частотно-направленного спектра олн такими точениями. . •

Разработана математическая модель распространения нерегулярных волн на береговом откосе со встречным течением, внлючащая модифицированный критерий обрушения волн в таких условиях.

Разработана численная модель волновых течений в береговой зона при наличии сооружений, учитывающая эффекты взаимодействия волн с течениями. '

Предложен гидравлический метод оценки водообмена и качества вод в береговой зоне при паличии сооружений для условий преобладавдего действия индуцированных волнами течений.

Получено выражение для эффективных придонных касательных напряжений в волнах на течении. На основе использования этой зависимости показан путь модификации известных формул вдольберегового транспорта наносов." -

Практическая цетостъ и реализация результатов работа. По результатам работы опубликовано 6 рекомендаций, подготовлен раздел рекомендаций по гидравлическому' расчету крупных каналов, разработана 21 программа для компьютера.

Результаты работы использовались при исследованиях, разработке рекомендаций по проектированию различных гидротехнических объектов: морской водосброс "Жижель" в Алжире (заказчик - Московское отделение Тешюэлектропроекта), Рижский торговый порт (Рижское отделение ЛенморНИИпроекта), система автоматизированного проектирования речных гидротехнических сооружений Ленгипроречтранса, Оерегозащита Черноморского побережья Кавказа и Южного берега Крыма (ВДИИС, Кавгипротранс, Укрюжгипрокоммунстрой), берегозащита Черноморского побережья Болгарии (Институт Океанологии Болгарской академии наук, научно-производственная фирма "Геозащита"), водозабор на Ворхне-Арасланском . водохранилище (Уральский Водоканалпроект), нефтедобыващие платформы на шельфе о.Сахалин (СКТБ Ыингазпрома), защита железнодорожного полотна вдоль Кенвальского водохранилища (Кавгипротранс), пневматический волнолом (Болгарский институт гидродинамики судна), берегозащитные сооружения Южноукраинского гидроузла (Украинское отделение Гидропроекта).

Материалы работы были использованы для чтения учебного курса

"Динамика прибойной зоны" на строительном факультете Среднеевропейского Технического Университета, Анкара, Турция.

Апробация работ. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всесоюзном симпозиуме "Численные методы в гидравлике" (Телави, 1980), координационном совещании по гидротехнике (Одесса, 1981), II Всесоюзном съезде океанологов (Севастополь, 1982), Всесоюзном семинаре "Проблемы транспорта наносов в береговой зоне моря" (Тбилиси, 1983), XX Конгрессе МАГИ (Москва, 1983), III, IV республиканских конференциях по прикладной гидромеханике (Киев, 1984, 1987), II, .III Всесоюзных конференциях "Динамика и тормика рек, водохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984, 1989), III Всесоюзном симпозиуме по литодинамике океана (Москва, 1985), выездном заседании секции инженерной защиты территорий КТО Госстроя СССР (Сочи, I98S), Всесоюзных конференциях по морской берегсзещите (Сочи, 1982, 1984, 1985, 1938), 17, 18 и 19 сессия:! научного и методологического сэминара по гидродинамике судна (Варна, Болгария, 1988, 1989, 1990), семинаре по седиментологан Института седамэнтологни Тьянцзинского Университета (Тьянцзагь, Китай, I9S0), научно-технической конференции "Современные проблемы берегоукрепительной гидротехники в условиях Болгарского Черноморского побережья" (Варна, Болгария, 1990), заседаниях секции штекерной гидравлики НТО ВШИ ВОДГЕО (1988-1990, 1994), семинаре строительного факультета Среднэевропейского Технического Университета (Анкара, Турция, I9S3), втором совещании международной рвбочей группы проекта НАТО "Волны/Черное море" (Анкара, Турция, 1994), заседании кафедры'гидравлики Московского государственного втаеЕврно-строЕтелъного университета (1994).

По томе диссертации опубликованы 2 книги, 46 статей и составлено 17 научно-технических отчетов.

Структура' и объел работ. Структура диссертационной работы соответствует, направлениям и решаемым задачам. Работа состоит из введения, семи глав, заключения (основные еыводы) и списка цитируемой литературы (333 наименования). Диссертация изложена на 351 страницах, в том числе 252 страницы машинописного тег-та.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во . введении приводится характеристика инженерных задач взаимодействия волн и течения, дается краткий обзор основных исследований подобных задач и формулируются задачи диссертационной работы.

При анализе взаимодействия двух факторов, естественно, необходимо учитывать их относительные. масштабы. Первый', наиболее изученный класс задач взаимодействия волн и течений представляет соЗой трансформацию волн крупномасштабными, неоднородными в горизонтальной плоскости течениями. Поле течения считается известным, ставится задача определить элементы волн в различных областях точения.

Для расчота изменения параметров волн на крупномасштабном точении применяются законы сохранения количества волн и волновой »иергии. Для рефракции волн течением добавляет условие незавихренности поля волновых векторов. Использование закона сохранения количества волн для определения изменения кинематических параметров требует знания дисперсионного соотнопения для волн на точэнии. Обычно предполагалось, что точение имеет разномерный по глубиво профиль скорости.

В конкретных исследованиях размерность задачи, как правило, уменьшалась п рассматривались волны, распространяющиеся попутно или против течения. Такая постановка позволяла выполнить экспериментальную проверку с помощью измерений в пздроволнозых лотках. По-видимому, наиболее ранней работой, в которой рассматривались волны на попутном или встречном крупномасштабном течении, является статья Unna, 1942.

Задача трансформации . волн течениями рассматривалась Вайсфольдом, 1957, ürsell, i960, Longue t-IIiggins and S ter/art, 1960, 1961, Hugties and Stewart, 1961, Войшга-Сяноженцаш и Тогонидзе, I9S9, Jonsson et al, 19T0, Гагошидзе, 1373, Донцом, 1973, Тогонидзе, 1974, Кривошей, 1974, Масс, Кантаряи, I975-ÎS78, Офицеровыы, 1978, Jonsson, 1979, BreviK, 1930, îiiraaas, 1931, Завьяловым и др., 1982, Hedges et al, 1935-1993, Fenton, ЙсКее, 1990 и другими исследователя®. Установлено, что- на встречном течении волны укручиваются, а на попутном уиолагиваются по

г

сравнению с ситуацией без течения.

В некоторых работах задача трансформации шли горизонтально-неоднородным течением обобщается для частотного и частотно-папрзшюгагаго спектра волн. Это исследования: Tung, Huang, 1974, 1976, Бзсовича, 1979, Hedges et al., 1985, Лавршюва fe Рывгаша, 1986, Skop, Leipoid, 1988 , Pruser and Zlelke, 1990.

Интересными и важными представляются каустические эффекты для волн на течении. Наиболее известный из этих эффектов, так Называемая блокировка волн встречным течением, использована в конструировании пневматических/гидравлических волжитов. Теоретический анализ эффекта блокировки выполнен Peregrine, 1976 , Васовичем, 1979, Лавреновым, 1985, Дрейзисом, 1987, Shyii and ?М111рз, 1990. А немногочисленные опыты провели: Показиев с: Розенбергом, 1983 (гравитационно-капилярные волны) и Кангаржи и др., I98S (гравитационные волны).

Имеются также эксперименты, которые показывают, что встречное течение на береговом откосе может приводить к существенному перемещению точки обрушения волн мористее по сравнению с ситуацией без течения. Такие вывода били сделаны по результатам опытов: KJeldsen, Hyrhang, 1980, SaJcal et al., 1988, Кантаряи и Лумельской, 1990, 1991. В работах Войшч-Сяноженцкого, 1972, Dalrymple, Dean, 1975 и Sakai et al., 1988 предложены оценки положения и параметров волн в створе обрушения на течении.

Учет неравномерности профиля скорости течения по глубшш представляет отдельный класс задач взаимодействия, вызвавший интерес в последнее время. В работе Stewart, Joy, ,1974 был предложен, а в работах Skop, 1986, 1987 более подробно проанализирован асимптотический метод решения задачи, который позволяет получить аналитические решения для произвольных профилей скорости течения по глубине с приемлемой точностью. Проблемы распространения волн на течении с неравномерным профилем скорости по глубине рассматривались: Цао, 1959, Dalrymple, 1974, Гончаровым и Лейкиным, 1982, 1983, Kishida, Sobey, 1988, Кантврки, Макаровой, Пэлиновским, 1989, Kantardgl, Dragancheva, Dreyzla, 1989, Swan, 1990, Hedgeo, Lee, 1992.

Предполагая течение неравномерным, в горизонтальной плоскости,

приходам к задаче рефракции волн Течением. Рефракция волн течением рассматривалась уже в первых работах по взаимодействию волн и течений. Более полно задача была рассмотрена Jonsson с соавторами.

Если течение можно принять однонаправленным и неравномерным в перпендикулярном вектору скорости направлении, получаем ситуацию сдвигового в плане течения, ' которая оказывается полезным упрощением при решении многих практических задач. Например, задач о вдолъбереговом течении. Рефракция волн таким течением рассмотрена Дрейзисом, 1987, а каустические эффекты, которые при этом возможны - Дрейзисом, Кантаржи и Пелиновскиы, 1986.

Обзоры работ по взаимодействию волн с течениями в разные год® публиковались Peregrine, 1976, Масс и Кантаржи, IS79, Peregrine et al., 1933.

Глава I посвящена теоретическому и экспериментальному рассмотрения гидравлического метода расчета параметров ветровых волн, генерируемых на течениях. Рассматривается задача о росте ветровых волн, формируемых на стационарном И однородном в пространстве течении. Анализируется один из юзможннх практических подходов к решению этой задачи, основашый на использовании эффективной дкины разгона. Разработанная методика позволяет использовать существующие, аппробированшэ зависимости для определения параметров ветровых волн без течения, в том числе для условий ограничения разгона береговой линией. То есть, для крупных водотоков: большие реки, каналы, водохранилища. Она доге? использоваться и для условий моря или океана в районах, где имеются течения. Для определения применимости подхода цроведопы измерения Еетровнх волн на течении па крупных каналах..

Специальные исследования влияния течения на процесс развития ветровых волн в а эрогидроканалах проводились Коненковой с соавторами, Судольскш и Тепловым, Тепловым , Показеевым с соавторами, Francia и Dudgeon, Eato с соавторами, Plata и Тгат/1е, Tsuruya с соавторами . Вывода всех стих окешэримептоз в главном одинаковы: на попутном течении высота и длина волн меньше, а на встречном больше, чем на неподвижной воде при одинаковой длине разгона и прочих равных условиях. К теоретическим • исследованиям генерации ветровых волн на течении относятся работы

Войнич-Сяноженского и Лаврвнова.

• Анализ уравнения переноса волнового действия на течении в одномерном случае показывает, что преобразование координаты

хх х с®о

jt— ■ —ИЛИ j я jr— (1 )

да до да

где С9-групповая скорость волн, индекс относит к неподвижной системе координат, Сдо групповая скорость на неподвижной воде, дает на расстоянии разбега х на течении величину волнового действия n(x), равную no(Y) - величине волнового действия на длине разбега X на неподвижной воде. Уравнение (I) вводит эфХективнуи длину разгона.

Натурные измерения ветровых волн на течениях проводились на прямолинейных участках крупных мелиоративных каналов. Основные измерения выполнялись под руководством и с участием автора а 1986-1988 годах на прямолинейных участках Каракумского канала в районах городов Ашхабад и Мары. Кроме того, сотрудниками САНШРИ Заировым и Листровым была любезно предоставлены нам для анализа данные проведенных ими измерений ветровых волн на течениях на трех крупных ирригационных каналах.

Ширина канала по верху на опытных участках равна 134, 167, 55 и 50 метров. Глубина вода по оси каналов для тех же участков в период измерений: 4,6; 3,8; 3,2 и 2,1 мэтров. Скорость ветра в опытах изменялась от 4,1 до 17,2 м/с. Средние по живому сечению скорости течения составляли' от 0,4 до 0,55 м/с. В большинстве измерений течение было направлено навстречу ветру и волнам.

. Измерения САНШРИ проводились на Карашнском (ККК), Кызылкумском (КМК) и Аму-Бухарском (АБК) магистральных каналах. Эти натурные измерения проводились в период I98I-I985 г.г. Измерительные створы была оборудованы па прямолинейных участках каналов длиной от 2,5 до 7 км. Другие важные для рассматриваемой задачи условия наблюдений следующие. Ширина канала по верху: Ь=90 м (АБК), Ь=40 м (КМК), Ь=60 м (ККК); скорости течения: до 0,5 м/с (АБК), до 0,5 м/с (КМК) и до 0,9 м/с (ККК). Ветер был вс-печным и попутным, скорости ветра от 4,6 до 14 м/с. Глубины по осям каналов от 5 до 7 метров. Длины реализаций от 3 кинут до 2 часов позволяли

0.01

х

СП

0.001

/

3

ч/

/

О О О О О 2 а а о о а 3

10

gx.fr/vv2

100

1*000

рис.I.Сопоставление расчетных и измеренных средних безразмерных . высот ветровых вода. 1-расчет, 2-данЁые САШИШ, 3-данше автора

статистически уверенно получать функции распределения высот волг.

При анализе результатов проведенных измерений учитывалось ограничение разгона береговой линией. Этот фактор в условиях относительно узких каналов может быть не менее важен, чем влияние течения.

Вывод, следующий из сопоставления измеренных и расчетных средних высот и, периодов волн: существующие зависимости при использовании эффективной длины разгона позволяют получить оценю! параметров вола на течении. Сопоставление измеренных и расчетных безразмерных высот волн показано на рисЛ. Выполненные измерения позволили проверить метод расчета до значения безразмерного эффективного разгона равных примерно 200.

Во второй главе рассматривается задача изменения элементов волп при распространении на неоднородном течении. Получены расчетные соотношения, позволяющие определить размеры волн в такта ситуациях. Учитывается и анализируется эффект неоднородности скорости течения та глубине.

Начнем с анализа наиболее простого неоднородного по глубине течения

и(г)»иа<1«11 ) (2)

где и, - поверхностная скорость течения, ось в неправлена вверх и начинается от уровня спокойной воды, Ь - глубина вода, а -безразмерная завихренность, сЫаПА^, СЫВв-Щй)]/з.

Уравнения' Эйлера вместе с уравнением неразрывности • для волн на течении после исключения членов с давлением сводятся к уравнению Рэлея для амплитуды функции тока f

[Са-и(Я))(ЗГ"- 1с*1)+и'(2^»0 (3)

где штрихи обозначают дифференцирование по координате г соответствующего порядка, с-скорость волн, граничные условия имеют вид

лг

(и-С)2Х = [§+и (В-с)Л 2=0 (4)

1=0 а=-Ь (5)

Уравнение (3) шеет аналитическое решение для любых И при условии и (в)=0, что и соответствует течению с постоянной завихренностью по глубине. В этом случае дисперсионное соотношение может быть получено в следующем виде

с в 0)аЛ1 = ив- ^ пгыл + \ Шг№2Ын4Й1ШЙ1>"'г (б)

Используя (6) и условие сохранения частоты волн би/ахвО, сразу получвем решение для трансформации длины волн крупномасштабным течением, емэеещм профиль скорости (2):

ü

■

с _ .. _

о о о о

ß - г Ä т | ц,ь> +

+ \ К А )*th*< & к011) + 4 | th( | i£oh)tü""(kob)3^2-t=0 (Г)

о о о о о -

где индекс "О" имеют соответствуйте параметры в области до течения. Решение уравнения (7) относительно k/li0 позволяет получить изменение длины волн L/b0«4c0/l£ в функции числа Фруда ü./c0, относительной глубины k0h и безразмерной завихренности

Отметим, что при 0*0 из приведенных зависимостей получаются известные решения для трансформации воли однородным по глубине течением. Перейдем к ситуации течения о билинейным профилем скорости по глубине. Такое течение имеет профиль

U.<1+ §'). -d i г <- О

V(s) = i СО) О z < -d

где й - толщина поверхностной струи. Сшивая на границе Е=-<3

комплексы: (c-U)l +U 1 и f/Ik(c-U) 3, получаем дисперсионное соотношение в виде

\Ч

кЬ -ггУ, у -кЬ гк<1 Ж У у

О 1(1-У)+ ^ <1-У"2У)}<2- 1а )+о О ((1-У) + 1-3 (1-у-гу)1 *

где У=ки /со, &=зс1/и*. Вводя безразмерные параметры: и--=иц/со, , Ь=коЬ, 5=кос1, можно представить дисперсионное соотнэпенно (9) в виде кубического уравнения относительно и

А 5 %В и %С У +Б =0 (Ю)

которое удобно для вычислений.

11а рисунке 2 показаны примеры расчетов длин волн на попутно^ и встречном течениях. Графики па рис.2 соответствуют условия глубокой воды (коЬ=3,0), аналогичные графики построены для условий: ограниченной глубины.

Получение приближенного дисперсионного соотношения основано на решении краевой задачи (3)-(5) для "слабого" течения методом возмущений. Так решение первого порядка даэт приблизетгоо дисперсионное соотношение

с=а0+сг*о0<- ёщзщ | 0(з}с112к(тз)с2г (11)

гдо с*= | ШЛ соответствует решению однородной задачи. Второй читан в правой части (II) назовем эффективным течением и обозначим и Для липейно-сдвигопого течения из (II) получаем

в! Г

Сотасгавлекке (12) с (5), а тага® с асимптотичееккми решениями более высокого порядка показывает, что решения, полученные методом приближенного дисперсионного соотношения, применимы, если величина Пмала. Озшбка использования приближенного дисперсионного соотношения возрастает с уменьшением М, т.е. с уменьшением относительной глубины поды.

рис.2. Изменение длины еолн на течении с билинейным го глубине профилем скорости, глубокая вода

Перейдем к определению высоты волн. Естественным является использование введенного через и осреднение профиля течения по глубине для записи закона сохранения энергии в традиционном виде

m < ¡г в» 1 PgH:

1

.2

(13)

где П-высота волн, ыг= w-kU

(14)

Выполненная проверка предельных случаев глубокой и мелкой воды позволяет сделать вывод сб удовлетворительном согласии приближенных и точных решений на ограниченной глубине.

r.taâ-a 3 поЬвящена, задаче фильтрации частотного спектра юга встречным течением. Анализ условия блокировки волн встречным течением имеет особое значение, так как от точности соответствующих"оценок в значительной степени зависит г дальнейшее рассмотрение фильтрации частотного спектра волн встречным течением. Опыты по блокировке волн встречным течением проводились в большем волновом лотке ЩШСв (36x3,75x1,0 м) с установкой дополнительных.стенок, образующих раструб.

Результаты измерений трансформации волн течением показал;, что высоты волн ра течении возрастали по сравнению с исходной в 1,4...2,6 раза. Для коротких волн с периодами 1,1 с и 1,5 с на расстоянии 14...15 м от волнопродуктора происходила блокировка волн. При этом в месте блокировки удовлетворительно выполнялось кинематическое условие Cgr-U. Tait для золн с периодом Т=1,1 с в точке максимального возрастания высоты волн U=0,43 м/с, а 0 г=0,44 м/с при расходе течения Q=262 л/с и Cgr=o,43 м/с при расходе течения 0=275 л/с. Блокировка золн течением происходила в начале раструба на расстоянии 1,5...2,0 м от входа в раструб. При этом волны забурунивались и быстро теряли шеоту. За областью блокировки волнение практически отсутствовало. При равно.» периоде волны большей высоты блокируются несколько позже.

Условие блокировки в общем виде

О,.- ЧР- -О (15)

Таким образом, есля дисперсионное соотношение со(1с) известно, то условие блокировки сразу определяется. Условие блокировки для лило йно- сдвигового по глубине < течения получнм, подставлял' дисперсионное соотношение (6) в (15)

и = 5 0 си"г101 - ( X П2Ь гЬкЬ сЬ"гИЬ +

■\Ё№ сь"амит гь'кь + шы ав)

Выполненный анализ показывает, что влияние неоднородности скорости течения на кинематические характеристики волн в точке оло1сирошш растет с ростом относительной глубины, как и для трансформации волн неоднородным по глубине течением.

Экспериментальные исследования фальтращт частотного спектра волн встречным течением проводились в волновом лотко Болгарского института гидродинамики судна (БИГС) длиной 28 и, шириной и высотой стейок по 0,8 м. Лоток оснащен пневматическим волнопродуктором, позволяпцим генерировать волны высотой до 0,17 м, длиной от 0,16 до 4,5 м. Для формирования течения использовался пневматический волнолом.

Профиль по . глубине скорости течения, создаваемого пневматическим способом, в области максимума течения -шел треугольный вид с глубиной точения около 1/5 глубины воды. Оштц и их анализ проводились, исходя из гипотезы фильтрации частотного спектра волн встрочным течением вследствие блокировки высока частот. Принципиально предлагаемый подход основывается на возможности представления волнового спектра компонентами Фурьо волновой поверхности. При прохождении области максимума скорости встречного течения высокочастотная" часть спектра с частотами больше гсритической будет отфильтрована. В результате сродняя шсота волн будет уменьшаться. Тогда, если другие эффокты, влиякщэ из высоту волн: нелинейные» взаимодействия гармоник друг с

2.00 п

£

о о о о & д о о о о а 5

0.00 Т1|1|11||ц||111Ч11|||||||||||"|||||Ч||111111М)|1|1||1||| 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2-50 3.00

и Нг

рис.3.Эксперимент по фильтрации частотного спектра волн встречным течением. Измеренные волновые спектры на подходе к течению (а) в г области за течением (б)

другом, обрушение волн, обмен анергией мевду волнами и течением не столь значительны, то энергия и высота волн в области за течением будет определяться эффектом фильтрации высокочастотной части спектра. Для проверки этой гипотезы и была выполнена следующая серия опытов.

Было выполнено всего 4 опыта. В опыте №I в качестве исходного специально создавался двухмодовый спектр - рис.3. Спектр такого гида в натурных условиях мовет существовать при наложении двух систем ветровых волн или при наложении зыби и ветрового волнения. Частоты максимума исходного спектра составляли 0,904 Гц и 1,20 Гц. Частота среза для условий опыта, определенная в соответствии с приведенными выше соотношениями, составила 0,106 Гц., т.е. располагалась мевду максимумами исходного спектра;' Прошедший спектр для этого опыта показан на рис.3.б. Хорошо видно, что высокочастотная, часть спектра действительно отфильтровалась течением, при етом частота второго, более низкочастотного пика практически не изменилась.

Если S{td) - частотный спектр волн на подходе к течению, то в рамках принятой гипотезы коэффициент трансформации спектра определяется формулой

Кта -Т = J S(«)du / J S((ú)du (17)

Н0 ° ' °

где Пт - средняя высоте волн за волноломом, Н0 - средняя высрта волн в области до волнолома, о)в1 - частота среза, соответствующая волновому числу в точке блокировки.

Результаты расчетов и измерений средних высот волн в области после течения удовлетворительно согласуются, что позволяет сделать вывод о приемлемости предложенной гипотезы фильтрации частотного спектра встречным течением.

В главе 4 рассматривается распространение нерегулярных волн на береговом откосе в зоне струи морского водосброса или па устьевом взморье в зоне речной струи, где поведение' волн определяется не только уменьшавдимися глубинами, по и. встречным течением. Используются идеи, предложенные в работах "Battjes,

согласно которым в кавдой точке прибойной зоны волны представляют собой смесь ужа обрушенных и еще не обрушенных волн. В начало прибойной зоны от исходного распределения высот волн как бы отсекается часть, соответствующая наиболее высоким волнам. Далее, по мере уменьшения глубины обрушаются более мелкие волны. Аналогичные модели рассматривал в своей книге Леонтьев.

Вначале рассмотривается ситуация» для нерегулярных волн на береговом откосе; без течения. Построена и реализована на компьютере . математическая модель распространения волн на монотонных береговых откосах, а также на откосах с террасами. Для сравнения результатов расчетов по предлагаемым моделям и измерений в лабораторных и натурных условиях использовались данные лзбораторных измерений Battjes и Jansзen, натурные измерения Thornton и Gusa на Тихоокеанском побережье США, а также данные натурных измерений, выполненных ррекко на Балтийском поберехыз.

Опыты по обрушению волн на откосе со встречным течением проводились в гидрсволновом лотке КНИИС па откосах с уклонами 1:22 и 1:12. Волны имели период 0,67 с. Глубина вода перед откосом составляла около 30 см, исходные высоты волн изменялись от б до 6 см. Результаты опытов показывают, что течение приводит к сдвигу створа обрушения по откосу в сторону "моря", при этом высота волн по линии обрушения несколько увеличивается по сравнению с опытами без течения. '

. Основной целью анализа данных опытов было получить поправки, которые позволили-бы учесть фактор течения в критерии обрушения. В качестве базового критерия обрушения использовался критерий Goda. Обоснование выбора именно этого критерия в качестве базового дается в работе. '

Для учета влияния точения было принято, что коэффициент при экспоненте в критерия Goda зависит не только от относительной глубины ЬЪе/Ьгд, L-дшша волн, но и от числа Фруда точения Ub/i/glib, где Ub- средняя по глубше скорость течения в створе обрушения волн на откосе без течения. То есть, предполагается, что критерий обрушения волн для откоса с течением имеет вид

Н. 4/1

А<1-ехр1-В(1+15в ))>

игл

где В есть функция относительной, глубины воды и числа Фруда, B»B(hbc/LrJ1, Ub/fgf^), e-уклон дна. Для определения функции В исглользовались данные опытов из рвботы Sakai и др. В этих опытах параметр U,/»^ изменялся от О до 0,6.

Построив критерий обрушения волн на откосе с течением о использованием опытных "данных Sakai и др., можно теперь проверить ого на независимых собственных ¡ опытных данных. Полученное совпадение высот волн по; 'линии обрушения на течении НЬв, измеренных в опытах и вычисленных по модифицированному критерию Goda, вполне удовлетворительное.*

Теперь можно перейти к построению математической модели распространения нерегулярных волн в прибойной зоне на береговом откосе со встречным течением. Критерием обрушения волн является установленный выше критерий (18). Закон трансформации необрушенных волн на откосе с течением, записанный относительно створа о глубиной hQ и'в приближении мелкой вода, имеет вид

„ < я.»/»» м I»vi/a -»✓«

I «. h I(h -q) (J-qh >1 (19)

где 7=H/h относительная высота волн, £=h/ü0- безразыдртя глубша, индекс; "о" относит величины ко входу в прибойную зону, q-безразмерный расход течения. Теперь можно получить функцию распределения висот волн внутри прибойной зоны

6(7)ш expl- \ ) h (h -q)(1-qh )) 7<? (20)

где знак "о" .означает среднее по ансамблю. А с учетом принятого для обрушенных волн условия H=th вычисляем и момент степени п от функции распределения

<7Л> «* * ~nst I «n -T1

^ (h -q) 1 S +7 0 (21)

(1C/4) о

Пример для волн на откосе с течением показан на рисунке 4, где представлены расчеты распределения относительной среднеквадратичной высоты волн 7 в прибойной зоне для откосов с уклонами 0,05 и 0,02 при трех безразмерных расходах встречного течения: 0 (нет течения), 0,005 и 0,01. Сравнение с данными двух лабораторных опытов Battjee и Janeeen позволило определить наиболее подходящее значение коэффициента Goda, Л=0,12. С этим значением Л выполнялись расчеты и при встречном течении.

При увеличении расхода встречного течения относительная среднеквадратичная высота волн тгт„. по-прежнему, растет с уменьшением, глубины воды, стремясь к максимальному значению на урезе. Однако с ростом расхода течения это максимальное значение уменьшается и распределение 7гга> по прибойной зоне становится более равномерным. С увеличением расхода течения слабеет влияние заложения откоса. Таким образом, представленная модель позволяет оценить основные эффекты, связанные с влиянием течения на распространение нерегулярных волн в прибойной зоне.

В пятой главе рассматриваются течения в прибойной зоне, индуцированные обрушающимися волнами. Эти течения, в свою очередь, взаимодействуют с набегающими волнами и трансформируют их. Как показано, учет взаимодействия волн с течениями важен для решения задач водообмена.и качества воды в прибойной зоне.

Вначале, рассматривается задача о вдольбереговсм течении, что позволяет лроверить основные принимаемые гипотезы. Для верификации полученного решения привлекались натурные данные Thornton и Guza, полученные на Тихоокеанском побережье США. Согласив расчетов с измерениями удовлетворительное.

Горизонтальная циркуляция в береговой зоне для слабых уклонов дна описывается следующими стационарными, осредненными по глубине уравнениями движения и неразрывности:

+ (22) \ Iü(h+r])J+ ^ tV(h+t)XJ=0

где U,Y - компоненты- скорости в направлениях х й у, соответственно, т\ - волновой нагон, h -певозмуиенная глублна воды. Ось "у" направлена вдоль берега, ось "2" - от берега, Ия, Uy - соответствующие компоненты силы, формирующей среднее течение и определяемой радиационными напряжениями и Fx , Fy - соответствующие компоненты силы донного трения.

Для вычисления горизонтальных скоростей течения и волновой эволюции среднего уровня необходимо знать параметра поля нерегулярных волн. Высота волн вне.' прибойной . зоны определяется ; уравнением баланса волновой энергий в стационарном резкиме. Внутри прибойной зоны для определения высоты волн используется решение, полученное ранее. Рефракция волн определяется дисперсионным уравнением/ условием сохранения частоты ;йолн и условием незавихренности поля волновых векторов.-

Система • уравнений для,. совместного поля \ волн и ; течений решается конечно-разностным методом. Для включения взаимодействия волн и течений .друг с другом использовались альтернативнее вычисления волн и течений по итерационной схеме. В-качестве критерия обрушения применяется модифицированный критерий 1 Goda, полученный ранее. В нем участвует компонента скорости течения в направлении, противоположном направлении волн.

Индуцированная обрушащидася. волнами циркуляция вода в прибойной зоне' определяет, в свою очередь, суммарное перемещение наносов и водообмен для отдельных областей прибойной зоны. Определение волновых течений в прибойной зоне является, достаточно слолшой задачей, тем болов в окрестности сооружений, Поле волн осложняется такими эффектами как обрушение, дифракция у кощевых частей сооружений, отракение волн от сооружений, взаимодействие волн и течений. * ' " - ,

iH

Сг1

рис.4.Сизическая модель яхт-порта. Масштаб плана 1:50.

1-изобаты донного рельефа, глубина в ал

2-оерогсщая линия

3-прсфиль вдольберегового течения (схематично)

4-портовый мол б-положение "камер"

- 6-измерекные средние скорости течения, I мм на плане соответствует 0,5 см/с на модели) г-шлокение датчиков солености 8-границы мезду зонами

Для описания качества води в береговой зоне используется так называемая "камерная модель". При атом исследуемая область подразделяется на отдельные контрольные объемы-камеры. Предполагается, что параметры качества воды постоянны внутри каждого объема и водообмен представлен потоками через границы камер.

В частности, анализировался водообмен для конкретной ситуации проектируемого яхт-порта в районе Анапы (рис.4). Соответствующая физическая модель в масштабе 1:69 была построена и испытана в волновом бассейне Черноморского отделения ЦНИИС. Данные измерений позволяют проверить результаты математического моделирования поля точений и гидравлические оценки водообмена. Для определения водообмена в опытах игагоьзовались' измерения эволюции солености в изучаемой области от начальной до фоновой.

Используя для интенсивности водообмена решения уравнения баланса массы для характерных камер, можно определить время, необходимое для уменьшения концентрации с начальной ctn до 10% от начальной 0,1с.п. Это время составляет 150 секунд для камеры I в Зоне III- и 60 секунд для камеры 2. 3 волновом бассейне на модели датчики солености СЗ и С5 были расположены в камере 2 и солемер С4 - в камере I. -Характерные результаты представлены на рис.5, остальные результаты были подобны. Измеренные и расчитанные изменения концентрации внутри каморы I показаны на рис.5а (солемер СЗ), и результаты для камеры 2 (датчик С4) показаны на рис.564 Согласие между расчетными и измеренными ■ величинами удовлетворительное.

В качестве другого примера, ичлюстрируыцего возможности предлагаемого метода, анализируются водообмен и качество воды для меябунного отсека. Задача рассматривается вновь на основе комбинации физического и численного эксперимента.

Рассмотренные метода расчета горизонтальной циркуляции, индуцированной волнами, позволяют перейти 0 тестой главе к анализу влияния горизонтальной структуры точений на распространите волн.

Вначале рассматривается рефракция волн сдвиговым течением для мопохро?«атичоской волны. соответствующие решения можно использовать как исходные соотнесения для спектра воли. Пусть

пз ■

•>• I

гравитационные волны распространяются на течении, неоднородном в направлении, перпендикулярном скорости. Ось "Ох" направлена вдоль

скорости течения U=(U,0), причем всегда и>0. Из кинематического условия сохранения плотности волн в стационарном случае, как и раньше, получаем условие постоянства абсолютной частоты волн,

u^conot. А из rot k=0 для данной схемы бк/ву-О, и, следовательно kx=const. Здесь кхи ку- соответствующие компоненты волнового вектора. .

Дисперсионное соотношение для волн па течении в приближении глубокой воды можно записать в виде

1су=± | [(a)a-kxU)"-g2k^11'1 (23)

Используя (23) и условие постоянства абсолютной частоты волн ua и. х-компоненты волнового вектора кх, определим рефракцию волн на течении. При этом попутному течению будет соответствовать положительная х-компонента волнового вектора, 1:к>0, о встречному -отрицательная, кх<0. Из (23) сразу получается условие отражения волн попутным течением:

ш ' »>г »• ■■

IT t ) (24)

К X

Отсюда получаем значение критической частоты волн g{14BJM„)

ur.f= U Dim. (25)

mo

При ua<ure( волны проходят область течения, наоборот, при ив>ь)Г.г происходит отражение волн. ,

В общем случав промежуточной (ограниченной) глубины условие отражения волн попутным течением

о) gtli(k h)

IT ^-ТгЧ 1 (26)

рис.6.Изменение средней высота волн в результата йяльтпании частотно-направленного спектра волн попутным те^енречна глубокой воде

Отражение волн течением происходит при сравнительно небольших скоростях течения, встречающихся в природе. Действительно, из (26) получаем для волн с. периодом 5 секунд при угле подхода волн к течению 45° достаточную'для отражения скорость в 1,76 м/с.

Идея получения средней высота волн в области за сдвиговым в плане течением для спектра волн не отличается ' от идеи, использованной выше при рассмотрении фильтрации частотного спектра волн встречным течением ; при блокировке высокочастотной части спектра. Здесь также отражение определенной части спектра течением-приводит к фильтрации исходного спектра по частоте. В области до течения отражение увеличивает высокочастотные компоненты волнового спектра. После прохождения течения волнение, наоборот, становится более крупномасштабным.

Для получения численных оценок влития аффекта фильтрации на среднюю высоту волн используем простую аппроксимацию частотного волнового спектра, предложенную Стрекаловым. На рис.6 показаны

результаты расчета срэдней относительной высоты волн Пг/П0 в зависимости от относительной скорости течения МтД< (^-расчетная скорость ветра) и угла подхода волн к течению аа. Графики па рис.6 показывают, что при подходе волн к попутному течению под углом yss небольшие скорости последнее (до I м/с) могут уменьшить высоту волн почти в 2 раза. Одновременно эти графики позволяют по известной скорости ветра В и максимальной скорости течения Um оценить средние параметры волнения после прохождения области течения.

Для условий мелководья частотный спектр ведет себя аналогично регулярной волне: при ао<аг%( все гармошки спектра проходят область течения, при ао>aref происходят отражение спектра волн от течения. На ограниченной глубине частотно-направленный спектр волн фильтруется по частотам и направлениям.

Определенную экспериментальную проверку изложенной выше модели удалось сделать на основе опубликованных данных натурных измерений частотно-направленного спектра у поберэкья Флориды.

В гладе 7 рассматриваются некоторые задачи двикепия наносов под совместным действйем волн и течения. Рассматриваются условия

зо

начала трогания наносов, .¡здольбереговой перенос наносов и некоторые модели эволюции береговой линии.

Задача определения условия начала трогания наносов рассматривается в рамках концепции придонных касательных напряжений. Придонные касательные напрянения под волнами на течении представляют собой некоторую комбинацию придонных касательных напряжений от "чистых волн" и от "чистого течения". В работах Willis, Lenhoff, Nielsen, Wang и Chen и других было показано, что введение аффективного сдвигового напряжения для волн позволяет получить прямую аналогию волнового потока с однонаправленным. Обычно, для определения начала трогания наносов в однонаправленных потоках используется критерий Shields (Шпльдса). Этот критерий используется ниже и для волн на течении, при этом для волн вводится эффективное придошюе касательное напряжение. В соответствии с Willie

Tve=Te*ïïtv (27)

где придонное касательное напряжение от совместного действия волн il течения, tv и тс придонные касательные напряжения от волн и течения, соответственно. Коэффициент $ в (27) требует дополнительного определения.

Основная вдэя определения kosффгщнзнтз 5? для нот на течении состоит в следующем. Для известит: параметров волн и течения в musHT начвла трогания наносов можно определить соответствующие значения првдошшх тангенциальных напряжений от волн' и течения, \ ц тс. Затем по критической диаграмме Шильдса определять значение tïo для данной ррушости наносов и вычислить значение коэффициента. Такой подход использует известную идею универсальпостп критерия начала трогания наносов в виде зависимости критического касательного напряжения от paswspa наносов. Для реализации идеи необходимо иметь экспериментальные данные по началу движения наносов в волнах на течении.

Были проведены эксперименты яо началу трогания наносов в гидроволновом лотке с расходами от I до- 200 литров/с. Для генерации регулярных волн лотэк был оснащен портативным,.

M

переносным волнопродуктором типа' ныряла. Период генерируемых волн составлял 0,67 с. В качестве наносного материала применялись частицы различных плотности и размеров.

Опыты проводились в лотке при глубинах вода от 15 до 30 см. Высота волн изменялась в диапозоне 5-7 см, а длина волн при постоянном периоде варьировалась в зависимости от глубины вода в пределах 60-70 см. Наблюдения за критическими условиями для начала трогания наносов ограничивались экспозицией в 15-20 минут.

Определение коэффициента Я базировалось на. сопоставлении результатов для однонаправленного и смешанного потоков. В качестве основы для сравнения использовались измеренные удельные расходы наносов для разных стадий начала, трогания, qa, полученные взвешиванием наносов, осевших в ловушке в конце кавдого експершэнта.

Измеренные удельные расхода наносов q.-IO9. г/см-с для обозначенных выше стадий начала трогания наносов, показаны на рис.7 возле соответствующих кружков. Черные кружки на pic.7 соответствуй? однонаправленному потоку, светлые - волнам на течении. Эти результаты показывают, что как для однонаправленного потока, так и для волн на течении приблизительно равные величины малых расходов наносов коррелирувтся с одними и теми ке стадиями начала трогания. Следовательно, величина расхода наносов, (ц может быть использована как довольно объективный критерий начала трогаппя в обоих случаях.

Было установлено, что. величина коэффициента W не является постоянной, но зависит от характеристик наносов. Была получена связь мезду величиной отого коэффициента и безразмерным диаметром наносов, аппроксимированная следующей зависимостью

ïï=0,650 tll(0,039D*HO,OGO (28)

При получении зависимости ' (28) кроме данных лабораторных опытов автора использовались данные натурных измерений Ьагсеп и др. ,

В большинстве случаев формулы для вдольберегового транспорта наносов получены из соответствующих формул для транспорта наносов в открытых руслах заменой придонных касательных напряжений для.

гг

руслового потока, te на придонные касательные напряжения для волн на течении, tvc. В частности, так были получены известные адаптированные формулы Bijker, Engelund-Hansen, Ackero-White. Естественно, что при таком подходе корректное определение суммарного придонного касательного напряжения становится принципиально важным.

Результаты расчетов показывают, что модифицированная формула МЕН лучше корродируется с формулой CERC. Этот вывод получается при анализе всех факторов: высота волн на глубокой вода, период волн,-индекс обрушения, диаметр частиц наносов и т.д. Формула CERC используется как контрольная, поскольку она _ представляет. собой осреднение большого количества репрезентативных измерений. Следовательно, можно сделать вывод о том, что модификация формул вдольберегового переноса наносов приводит к улучшающим результатам.

. Для выбора рациональной компоновки берегозащитных сооружений необходимо решить задачу о влиянии этой компоновки на динамику прилегающего пляжа. Каждая компоновка адяжеудераивающах сооружений характеризуется большим количеством параметров. Поэтому традиционный путь решения этой задачи с помощью гидравлического моделирования не гарантирует получение варианта, близкого к оптимальному. Большое значение здесь имеют методы математического моделирования.

Влияние поперечных и продольных соорукений на эволюцию береговой линии связано с взаимодействием сооружения и вдольберегового потока наносов. Методы оценки вдольберегового расхода наносов рассматривались выше. Модели взаимодействия вдольберегового потока наносов с соружениями типа бун или внебереговых волноломов рассмотрены в седьмой главе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Существует широкий круг гидравлических задач взаимодействия поверхностных волн и течений. Эти задачи относятся к условиям береговой зоны моря, крупных водохранилищ и водотоков.

2.Анализ уравнения переноса спектральной плотности ветровых волн позволяет ввести эффективную длину разгона для волн на

&Y

течении, учитывающую влияние, течения на изменение параметров ветровых волн. В свою очередь, использование эффективной длины разгона дает возможность построить на основании экспериментальных данных безразмерные эмпирические . зависимости высоты и периода ветровых волн от: скорости ветра, длины разгона, скорости течения ■и глубины воды.

Разработанный метод расчета параметров ветровых волн на течениях подтверадается данными натурных измерений на крупных каналах в деапозоне безразмерных длил разгона до примерно 1000.

3.Исследования влияния неоднородности профиля течения по глубине в частном случае линейного профиля скорости, допускающего аналитическое решение для дисперсионного уравнения, показывает следующее. -

Неравномерность скорости течения по глубине в условиях глубокой зода может оказывать влияние на изменение параметров волн порядка влияния самого течения. На мелкой воде неравномерность скорости течения по глубине не оказывает существенного влияния на изменение параметров волн под действием течения.

¿нализ метода эффективного течения показывает, что он дает практически точные результаты в условиях глубокой воды и допустимые погрешности при уменьшении относительной глубины.

4.Эксперименты от блокировке гравитационных волн встречным течением, выполненные в сужающемся канале, показали, что кинематическое условие блокпронш лилейных волн удовлетворительно-соответствует фактическому условию блокировки в- опытах.

5.Предложен метод расчета фильтрации частотного спектра волн встречным течением. Он может быть эффективно использован, когда основным аффектом взаимодействия волн с течением является отражение высокочастотной части спектра за счет блокировки соответствующих частотных компонент. Частота среза спектра определяется ' яз кинематического условия блокировки. Метод позволяет определить коэффициент прохождения для области течения как отношение средних высот волн в областях за течением и(. на подходе к течению.

6. Разработанная модель распределения нерегулярных волн на береговом откосе в прибойной зоне, основанная на усечении исходной.

функции распределения высот волн, удовлетворительно согласуется с данными лабораторных измерений Battles and Janssen и натурными измерениями Thornton and. Guza и Юренко распредолешш среднеквадратичных высот волн и волнового нагона в прибойной зоне, в том числе для донного рельефа с террасой. По сравнению с аналогичными разработанная модель учитывает влияние рефракции волн и ограниченности глубины воды.

Встречное точение сдвигает в море створ. обрушения волн к несколько увеличивает высоту воли по линии обрушения по сравнению" с береговым откосом без течения. Модификация известного критерия обрушения Goda позволяет получить критерий, учитывающий влияние течения. Этот критерий подтверздается данными лабораторных измерений Sakal и др. и автора.

Введение модифицированного критерия обрушения в модель позволяет исследовать с ее помощью распределение нерегулярных волн на береговом откосе при встречном течении.

7. Для оценки водообмена в области береговой зоны с сооружениями можно применять гидравлический подход, включающий следующие основные моменты. Для получения картины горизонтальной циркуляции, 'индуцированной обрушающимися волнами и учитывающей особенности .обтекания сооружений, используется физическое и численное моделирование. Основываясь на этой картине, делаются разумные предположения и упрощения, позволяющие аналитически оценить водообмен в основных характерных зонах.

Предложена плановая математическая модель индуцированных волнами течений в прибойной зоне. Модель учитывает нерегулярность волнения и эффекты взаимодействия волн с течением.

8.Проанализирована рефракция волн сдвиговым в плане течением с учетом отражения волн попутным течением. Разработан соответствующий метод расчета для ограниченной глубины воды.

Предложен метод расчета фильтрации частотного и частотно-направленного волновых спектров сдвиговым в плане течением за счет отражения части спектра. Применение метода предполагает, что эффект отражения существеннее других возможных эффектов. Метод позволяет определить среднюю высоту волн в области за течением и, соответственно, коэффициент прохождения для области

течения.

9.На основе гипотезы о' применимости метода Shields для описания начала трогания наносов под волками на течении при использовании: эффективного придонного тангенциального напряжения получено выражение для среднего придонного тангенциального напряжения под волнами на течении. Разработан и проверен экспериментально метод определения условий начала трогания при совместно,м действии волн и течения.

Получагтсв выраязпие для придонного касательного напряжения под волнами на течении позволяет модифицировать существующие формулы вдольберэгового расхода наносов. Модифицированные -формулы лупка согласуются с ямшздшся опытными данными по сравнению с исходами.

. В свою очередь, использование модифицированных фермул вдольбзрегового расхода наносов улучшает результаты прогноза эволюции береговой линия на основе одномерных моделей баланса.

Ю.Результаты л метода, полученные и разработанные з диссертации, позволяют выполнять гидравлические расчеты в ситуациях, не предусмотренных действующими нормативными расчетными 'документами. Результаты работы в виде расчетных методик и программ включена в пасть рзксмоидацкЗ, по ним разработаны 21 компьютерная программа.

ОПШИКОВАНШБ РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРВДИИ

ЬАлтуши Л.и., Кантаржи И.Г., Шахов л.В. (XS37) "Особенности работы нижнего бъефа морских водосбросных сооружегай". Труда ЁОДГЕО "Волповио воздействия на гидротехнические сооружения и бзрога", П.. Изд-20 SOJWEO, 35-45.

3.Лтажзков А,, Кантаоки И.Г., Саповз Н.О, (I9S9) "Развитие метода прогноза взтрових "волн на водотоках". Труда ВОДГЕО "Численное моделирозатае я автоматизация эксперимента в гидравлических исследованиях", Ü., Изд-во ВОДГЕО, 40-45,

, З.Дрвйзис 0.И., Кми-аржа И.Г., Пелшовскк» E.H. (IS8S) "Фильтрация волн сдвиговым течением в условиях мелководья". Окошшогия, 26, б, 907-913,

4.Дройзис П. И., Капторжи И.Г., Полшоеский E.H. (IS86) "Фильтрация ' волн сдвиговым течением". Водпш ресурсы, I, 105-109. Б.Кгнтаржи и.Г. (1931) "Влияние турбулентности на взаимодейс.ш?

волн с течениями". В сб.: Защита морских берегов, Депонировано, Бйбл. указатель депонированных рукописей Ж9, Справка Ж34-0-1981. 64-65. б.Кантаряи и.Г., Костин В.О. (1383) "Двтомотязироватшя расчет

J?

эволюции пляжа в мекбунном отсеке". Транспорт, строительство, 8.

7.Кантаржи И.Г., Бутылина И.Л. (1984) "Определение. скоростей при наложении волн на течение". Транспортное строительство, Б, 24-25.

8.Кантаржи И.Г., Цивцивадзе Н.Ш., Костин. В.О. (1984) "Математическая модель эволюции пляжа в межбунном отсеке". Тр.ЦНШС, Натурные и экспериментальные исследования в области морской берегозащиты, 55-66.

Э.Кантаржи И.Г., Цивцивадзе Н.Ш., Акмурадов Х.А. (1984) "Гидравлика ветровых волн в каналах". Тбилиси, Изд-во Тбилисского университета, 177 с.

Ю.Кантаржи И.Г., Дрейзис Ю.И. (1985) "Расчет трансформации спектра волн морскими каналами". Транспортное строительство, 8,' 28-30.

11.Кантарки и.Г. (1985) "Взаимодействие волн с течениями". В сб.: радиофизические процессы в реках и водохранилищах", Ы., Наука,

12.Кантаржи И.Г., Дрейзис Ю.И., Гагнидзе Ш.Д. (1986) "Трансформация спектра волн сдвиговым в плане течением". В сб.: Гидравлика транспортных сооружений, М., Транспорт, 22-28.

13.Кантаржи И.Г., костин В.Ъ. (1986) "К расчету эффективности берегозащитных бун". Транспортное строительство, 2, 30.

14.Кантаржи И.Г. (1987) "метод прогноза ветровых волн на водотоках". Тр.ВОДГЕО, Волновые воздействия на гидротехнические сооружения и берега, М., Изд-во ВОДГЕО, 60-63.

15.Кантаржи И.Г., Дрейзис Ю.И., Чеботкевич В.О. (1987) "Прогноз ветровых волн в крупных каналах и проточных водохранилищах". Гидротехника и мелиорация, 2, 24-27.

16.Кантаржи ■ И.Г., пелиновский E.H., Рыбка В.Г. (1987) "Закономерности прогноза волновых режимов в береговой зоне бесприливных морей". В сб.: Вопросы инженерной защиты берегов Черного моря. М., Изд-во ЦНИИС, 59-68.

17.Кантаржи И.Г., Макарова И.Л., Пелиновский E.H. (1989) "Трансформация волн течением с линейным сдвигом скорости по глубине". Океанология, XXIX, 2, 198-204.

18.Кантаржи И.Г., Макарова И.Л. (1989) "Придонные касательные напряжения при волнах на течении". Водные ресурсы, 3, 84-91. "

19.Кантаржи И.Г., Фирсов А.В, (1989) "Взаимодействие волн со струйным течением в зоне сопряжения водотока с водоемом". Тр.ВОДГЕО, Численное моделирование в автоматизация эксперимента в гидравлических исследованиях, М., ВОДГЕО, 45-54.

20.Кантаржи И.Г., Масс Е.И., Шевченко К.И. (1990) ."Экспериментальные исследования условий начала трогания наносов для смешанных потоков". Водные ресурсы, 3, 54-62.

21.Кантарки И.Г., Шевченко К.И. (1990) "Влияние ветровых волн нв начало движения наносов в водоемах и водотоках". Тр.ВОДГЕО, М., ВОДГЕО, 82-89.

22.Кантаржи И.Г., Шевченко К.И., Щушен Ы. (1990) "Определение коэффициента донного трения для волн на течении". Метеорология и гидрология. 4, 88-95.

23.Кантаржи и.Г., Луыельская М.Д. (1990) "Критерий обрушения волн на береговом откосе* при встречном течении". Гидротехническое строительство, 6, 36-38.

24.Кантаржи И.Г., Луыельская М.А. (1991) "Обрушение волн на

береговом откосе при встречном течении". Водные ресурсы, 2,

25.Кереселидзе Н.Б., Масс Е.И., Кантаржи И.Г., Метревели Т.Н. (1986) "Применение информационно-вычислительных комплексов и ЭВМ в гидравлических исследованиях". Тбилиси, Изд-во ГрузНИИЭГС,

26.Масс Е.И., Кантаржи И.Г. и другие (1982) "О расчете перемещения наносов волнами и точениями". В сб.: эксплуатация гид^омелеоративных систем в аридной зоне, Ашхабад, ТуркСХИ,

27.Масс" Е.И., Кантаржи И.Г. (1984) "Численные метода в гидродинамических исследованиях волновых процессов в прибрежной зоне". Тр. 13 сессии научно-методического семинара по гидродинамике судна, Варна, БИТС, 3, с 97-1 до 97-8.

28.Масс Е.И., Кантаржи И.Г. (1984) "Математическое и программно-управляемое обеспечение лабораторных волновых исследовании". Тр. 13 сессии научно-методического семинара по гидродинамике судна, Варна, БИГС, 3, с I06-I до 106-8.

29.Масс E.H., Кантаржи И.г. (1986) "Гидротехнические сооружения под воздействием волн и течений". Транспортное строительство, 8,

30.Масс Е.И., Кантаржи И.Г. (1986) "Элементы волн на течении". В сб.: Гидравлика транспортных сооружений, М., Транспорт, 3-12.

31.Масс Е.И., Кантаржи Й.Г., Костин В.О. (1986) "Исследование эволюции береговой линии в зоне влияния поперечных гидротехнических сооружений". Водные ресурсы, 4, 79-86.

32.Масс Е.И., Кантаржи И.Г., Костин B.Ö., Хайдар А.Х. (1987) "Транспорт наносов волнами и течением в условиях больших каналов". Водные ресурсы, 2, 52-Б8.

33.Масс Е.И., Кантаржи И.Г. и другие (1988) "Метод расчета ветроЕых волн в больших каналах". Водные ресурсы, I, 60-67.

34.Масс ЕЛ!., Кантаржи И.Г., Макарова И.Л. (1988) "Дисперсионное соотношение для волн на неоднородном по глубине течении". Гидротехническое строительство, 7, 33-35.

35.Масс Е.И., Кантаржи И.Г. (1990) "Выбор рациональных вариантов компановки берегозащитных сооружений с использовашюм математического моделирования". Тр. VUJ Международной конференции "Современные технологии в транспортном строительстве". Варна, 2, 149-152.

36.Масс Е.И., Кантаржи И.Г., Ромашин В.В., Маршов К. (1990) "Защита берегов и прилегающих территорий системой свободных пляжей". В сб.: Берегозащита-89, София, II-IG (на болгарском языке).

37.Ыасс Е.И., Кантаржи И.Г., Маршов К. (1990) "Основные математические модели и прикладные программы в морской берегозавдте ". В сб.: Берегозащита-89, София, 41-45 (на болгарском языке).

38."Методические рекомендации по расчету взаимодействия волн с течением при проектировании транспортных гидротехнических сооружений". (1975) Авторы: Е.И.Масс, И.Г.Кантаржи, Г.П.мамрадзе, М., ЦНИИС, 21 с.

39."Рекомендации по расчету на ЭВМ элементов волн при проектировании транспортных гидротехнических сооружений". (1963) Авторы:Е.И.Масс, И.Г.Кантаржи и другие, М., ЦНИИС, 75 с.

40."Рекомендации по расчетам ветровых волн и транспорта наносов в больших каналах". (1986) Авторы: Е.Й.Масс, И.Г.Кантаржи и другие, М., ЦНШС, 63 с.

41 . Рекомендации по гидравлическому расчету земляных каналов с учетом их транспортирущей способности". ! (1986) Авторы: Е.Й.Масс, А.Е.Михинов, И.Г.Кантаржи, Тбилиси, Грузгипроводхоз,

82 С. ' ■".'

42."Рекомендации : по расчету земляных каналов с учетом их транспортирущей способности". (1987) Авторы: Е.Й.Масс, А.Е.Михинов, И.Г.Кантаржи, ВНИИ ВОДГЕО-ТашПИ, Ташкент, 62 с. ■

43."Рекомендации по -гидравлическому расчету крупных каналов". (1988) • Авторы: ■ • Н.А.Рнаницын, ■ В.С.Алтунин, Т.Г.Войнич-Сянокенцкий, Е.Й.Масс, В.К.Дебольский, И.Г.Кантаржи и другие, ГКНТ СССР, Союзгипроводхоз, М., 153 с.

44.Kantardgl, I.G., Dragancneva, D. and Dreyzis, Y.I. (1989) "Interaction model of wave spectrum and current generated by' pneumatic barrier". Proc. SMSSH-89, v.3, Varna, Bulgaria, BSHC, 84-1 to 84-11. . . . ..

45.Kantardgl, I.G., Dragancheva, D. and Breizis, Y.I. (1991) "Approximate dispersion relation in problems of surface waves on vertically sheared current". Proc. of: HADMAR'91, Bulgaria, Varna, BSHC, v.2, 73-1 to 71-10.

46.Kantardgi, I.G. (1991) "Wave frequency spectrum filtration by adverse current". Ocean Modelling, Issue . 93, September ,1991,

47.Kantartgl,' I.G. (1992) "Inciplency of sediment motion under combined waves and current". J. Coastal Res., 8, 2, Spring (992, 332-339. • - - ..••'• ■.

48.Kantardgi, I.G. (1993) "On the effective fetch for wind waves on an ocean-current". Ocean Modelling, Issue 97, April 1993,

. 12-13. - v

49.Kantardgi, I. and Dreyzis, Y. (1993) "Wave spectrum filtration by current and wave height calculation". Coastal Engrg., 20, 203-221. ,

50.Mass, E.I., Kantardgi, I.G., Dragancheva, D., • Penchev, V. (1938) "Filtration of wind waves' spectrum under the Influence of opposite current of nonuniform velocity in water depth". Proc. SMSSH-88, v.3, BSHC, Vama, Bulgaria, 104-1 to 104-8.

Подписано в печать 09.02.95 г. Формат бОхВ^/К Печать офсетная

И-^аО Объем 2.5 я.д. Т.100 Восплатно

Московский государственный строительный университет. "Птографт МГСУ. 129337. Москва, Ярославское ш., 26.- '