海岸、河口区波-流联合作用下三维悬沙数值模拟及其在黄河三角洲的应用
海岸、河口区与人类经济、生活等各个方面息息相关,对人类有着非常重要的作用。海岸、河口区是陆海交界地带,陆地海洋相互作用显著,因此存在着很多的问题,其中对工程界来讲非常重要的一个问题就是泥沙问题,泥沙所引起的岸滩演变、港口航道的淤积、水动力环境的改变等等。针对海岸工程中泥沙问题的普遍性、复杂性,本文作者基于水动力-生态耦合模式COHERENS发展了一套三维水动力-悬浮泥沙耦合模型COHERENS-SED,并且考虑到海岸、河口区波流相互作用比较显著,本文将水动力-悬浮泥沙耦合模式COHERENS-SED与物理上先进的第三代波浪模式SWAN联合,最终发展了波流联合作用下的三维水动力-悬浮泥沙耦合数学模型并将其成功的应用于黄河三角洲滨海区的潮流和悬浮泥沙输运规律的研究。由于研究区域黄河三角洲滨海区有着较高悬沙浓度的存在,本文引入了悬浮泥沙对湍流的衰减作用以及近底层湍流产生、耗散及浮力破坏的平衡假说,并根据该平衡假说推导出了单方程k-ε湍流封闭模式近底层内的湍流能量平衡表达式。对于波浪对水流的影响,本文在水动力模型中引入波浪依赖的表面风应力的影响、波浪影响下的底部剪切应力以及波浪产生的辐射应力影响并针对这些影响进行了数值分析。根据底床沉积物特性沿垂直方向变化以及水平方向变化的特点,开发了能够处理分层、分区域底床处理模型,从而能够较好地反映现场底床沉积物实际分布情况。
本文的主要工作及创新点体现在:一、在水动力模块,本文对COHERENS作了如下发展与完善:①底床面处的波流相互作用引入了波浪传播方向与流方向之间夹角的影响,而原模式中则认为这两个物理过程的方向是一致的,这一点与实际有时存在差异;
②湍流模式的湍流能量方程中考虑了悬浮泥沙对湍流的衰减作用;
③近底处放弃了湍流耗散与产生平衡的假设,而采用湍流耗散、产生及浮力破坏作用相平衡假说,从而改变了近底层湍流变量的边界条件并推导得出了单方程k-ε模式的湍流能量底层边界条件;
④引入了波浪破碎引起的表面混合长度用以计算受波浪影响下的湍流的混合长度;
⑤引入了波浪依赖的表面风应力;
⑥将波浪辐射应力引入水动力模型并应用于黄河三角洲三维悬浮泥沙输运数值模拟研究中;
二、将COHERENS与第三代波浪预报模式SWAN相结合,考虑了水位场、流速场对波浪的频移以及折射等影响;
三、建立发展了一套波流联合作用下的三维悬浮泥沙模型,并将经发展后的水动力模块COHERENS与作者发展的悬浮泥沙模型相结合得到了本文数学模型的核心即水动力-泥沙耦合模型COHERENS-SED;
四、在前人基础之上进一步发现了黄河三角洲滨海的切变锋具有三维结构存在,其表层与底层由于潮相的不一致以及径流的影响而致使表层与底层切变锋在位相、历时与强弱都有明显的不同;
黄河三角洲;悬沙;湍流;切变锋;数值模拟;港口航道淤积;水动力环境改变;海岸;河口
中国海洋大学
博士
港口、海岸及近海工程
李华军
2005
中文
TV148.1;P343.5
170
2006-07-27(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)