波浪破碎作用下气泡演化机理与输运规律研究

Breaking waves cause strong flow turbulence and curling, entraining substantial air into water to form air bubbles. Consequently, the sediment and pollutant transports in the surf zone are affected by evolution and transport of the bubbles. Study of the kinetic and kinematic characteristics of air bubbles has great importance both in its theory and application. Combining theoretical analysis and wave flume experiments with advanced measurement technology, this project first investigates the processes of air bubble production, evolution and transport, it then discusses the interaction between air bubbles and turbulence characteristics, it finally reveals the relationship between air bubbles and mass transport or energy dissipation. Based on above studies, a three-dimensional two phase fluid numerical model is further developed. The model is parallelized to study transport characteristics of air bubbles with different size gradation in the surf zone. The results are expected to serve for coastal engineering constructions and coastal researches.

波浪破碎引起水流强烈的紊动和翻滚，卷入大量空气形成气泡，气泡的演化和输运过程影响着破碎带泥沙输运、污染物迁移运动。研究波浪破碎作用下气泡运动和动力特性非常必要，并具有重要的理论意义和应用价值。通过先进量测技术开展波浪水槽实验，结合理论分析，研究波浪破碎区内气泡的产生演变及输运过程，探讨气泡与紊动特性之间的相互作用机制，揭示气泡与物质输移及能量耗散之间内在规律。在此基础上，开发三维并行化的双流体数值模型，进一步深入研究波浪破碎区水流和不同组级粒径气泡输运特性，为海岸工程建设和学科发展服务。

波浪破碎引起水流强烈的紊动和翻滚，卷入大量空气形成气泡，气泡的演化和输运过程影响着破碎带泥沙输运、污染物迁移运动。研究波浪破碎作用下气泡运动和动力特性非常必要，并具有重要的理论意义和应用价值。本研究从水槽实验试验入手，通过现代化的测试手段对波浪破碎作用下的气泡运动特性开展研究，主要工作和成果如下：1）实验获取了不同波浪作用下破碎区内掺气水流中气泡的大小、数量、分布及空隙率等特性参数，分析了影响气泡数量粒径、空隙率分布的主要因素，揭示了破碎区内气泡的分布与输运统计特性以及动力特性；2）基于理论推导和实验数据拟合，引入波高、波陡、相对水深、无量纲水平位置等无量纲参数，得到了能较好地预测破碎区掺气水流空隙率时空分布的函数式，建立了泡径谱幂指数与波高、距破碎点距离和测量深度的关系式；3）考虑到波浪作用下建筑物附近水体掺气率大，开展了波浪作用下建筑物附近水体掺气及气泡运动特性实验研究，重点分析了波浪破碎作用下海墙附近气泡运动特性，揭示了波浪破碎作用下海墙附近气泡运动特性与水流结构的相互作用机制；4）为弥补实验研究的不足，基于本研究物理实验模型，建立了能精确描述波浪破碎卷入气体、气泡形成与输运等过程的带自由表面强紊动掺气水流三维两相流模型，详细分析水体掺气过程及流动特性，揭示不同波浪破碎形式下，气泡与破碎区紊动特性、物质输移和能量耗散之间的内在规律，并探讨气泡破裂、融合影响周围水体运动的作用机制。该项目研究成果加深了对破碎区气泡输运规律的认识，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24篇，其中SCI收录9篇、EI收录8篇，共培养已毕业硕士研究生2名。