河口海岸水动力及其悬移质泥沙运动数值模拟.pdf

▲◆上海交通人学博士学位论文摘要河口海岸水动力及悬移质泥沙运动数值模拟摘要在河口、海岸水域中存在着复杂的物理过程,内陆河流与外海流动交汇于此。这两股作用的强弱决定着河口水域的某些流动特性,如外海潮波较强的河口,主要受潮波控制,流动表现为明显的往复性;若内陆河流动力较强,则流动主要表现为单向流。河口、海岸带凭借其便利的水运条件及较丰富的物质资源,长期以来备受关注。对于河口海岸工程建设及环境问题而言,系统地研究水流场及泥沙场有着非常重要的价值,已得到广泛重视。长期以来,河口整治及海岸工程泥沙问题的研究通常借助于物理模型实验,但随着计算机技术的发展,数值模拟得到了越来越多的关注。对于泥沙运动的数值模拟,首先需要解决流动的模拟问题。这一水域控制泥沙运动的动力因素主要为潮流和波浪。本文分别对潮流、波浪和泥沙的数值模型作了较详细的阐述,采用适当的数值计算方法求解,最后建立了波流联合输沙的数学模型。对于河口水域,潮流作为最重要的动力因素之一,其数值模拟技术近年来得到了较大的发展,众多模型均兼顾了实用性及较高的模拟精度。从应用的角度而言,现有的潮流模型均比较完善,可以满足众多的研究需要。分析比较可知,现有的潮流模型大多建立在静压假定的基础上,该假定的适用性已经在模型的长期应用中得到了很好的验证。但对于某些问题,如盐淡水混合分层流、水工建筑物周围局部流动等,静压假定有待改进。鉴于此,文中在基本的潮流数学模型的基础上,引入了动压修正项,并采用预估一校正算法进行求解。该动压项的引入一定程度上克服了静压模型的缺陷,可作为特殊问题的数值模拟手段。虽然数学模型求解的工作量加大,复杂性提高,但对于模型应用范围的拓宽不失为一种很好的尝试。在实际应用中,可视问题的具体要求而选用不同假定下的水动力学数学模型。对于动压模型,本文通过不同的算例给出了细致的验证。为了处理复杂的岸线,本文在水平面上采用非正交的曲线坐标系,垂向上采用盯坐标。文中对盯坐标变换的适用性作了较详细的阐述并做了一定的改进,提高了数值模拟的精度。如前所述,在河口与近海水域中,潮流作为一种常年的动力起着主导性的作用,但波浪也是该水域研究中不可忽视的另一水动力因素。特别当台风过境引起的较大的风浪,航道泥沙回淤常常会带来灾难性的后果。而对于河床演变而言,由于波浪作用,床面应力显著增加,大量床沙起悬,尤其以浅滩最为明显。一个严重的后果就是造成航道骤淤,河流改道。对于波浪模型的发展,首先需要认识具体问题的物理本质,采用或发展适当的波浪模型。在复杂水域已经得到很好应用的波浪模型中,有一大类可归结为相平均模型。这类模型数学描述上通常表现为波能守恒(无流作用)和波作用量守恒(有流作用),这类模型的不足之处是不能模拟波浪的绕射现象。对于宽广海域而言,模型的这一缺陷尚无显著的影响,但对于近岸水域,受防波堤等水工建筑物的影Ⅱ向,波浪的绕射现象是比较明显的。卜海交通大学博1:学位论文摘要本文基于传统的相平均模型,引入了描述波浪绕射的绕射因子。通过与实验的验证及某些已有理论结果的比较,证明这一绕射因子的引入对于模型应用范围的拓宽起了很重要的作用。与此同时应该注意到在河口、海岸水域中,波浪并非独立存在的,而往往是波流共存的。对于潮流与波浪的耦合,本文采用波浪辐射应力的概念,在水流模型中引入波浪的作用效应。传统的波浪辐射应力的计算(,1976)基于水深平均模型。在三维流动模型中,需要给出辐射应力的垂向分布。本文采用了一种波浪辐射应力的计算模式,给出其垂向分布,同时将之改写为盯坐标的形式,便于在潮流模型中直接引入。在潮流模拟中引入波浪作用,一个重要的问题就是床面应力的计算。波浪存在的一个直接表现就是床面应力显著增加,床面应力的增加不仅对流场结构有一定影响,同时对于泥沙运动的作用更为重要。长期以来,波流共同作用下的床面应力计算已经得到了足够的重视,本文中对常见的计算方法作了总结。泥沙运动的复杂性体现在泥沙性质的复杂,如粘性沙、非粘性沙的性质存在着很大的差异。通常泥沙自身颗粒的大小、组成成份等决定着泥沙的某些特性。简单的概括为泥沙起动、落淤、沉速及输移等几方面的性质。这些不仅与泥沙自身的物理化学性质相关,还与所处的水域条件紧密相关,如海水的含盐量对粘性细颗粒泥沙絮凝起着很重要的作用,而泥沙絮凝沉降又是河口拦门沙形成的一个重要因素。鉴于泥沙性质的复杂性,其诸多性质的研究常常需要借助于一定的实验手段。本文重点研究泥沙运动的数值模拟方法,并对泥沙某些性质的数学描述给出简要的分析。在此基础上,结合潮流、波浪模型,针对悬移质泥沙建立了三维泥沙输运模型。进而采用有限差分法进行数值求解,并采用现有的实验资料检验模型的适用性及模拟精度。通过数值模拟,本文给出了流、波作用下泥沙输运的定性描述,着重阐述了波流共同作用对泥沙