近岸复杂岸界水域波浪、波生流及泥沙输运数值模拟

摘要

泥沙的运动是近海海域波、流作用下最为活跃的现象之一。随着人类在近海工程、资源开发和海上交通等领域的不断发展，对近岸水动力及其作用下的泥沙运动的研究变的尤为重要。泥沙运动是岸线演变、航道淤积和建筑物根部冲淤的根本原因，是港口码头设计、航道布置、防波堤布置等近海工程问题的重要参考因素。所以，研究近岸波浪、波生流以及近岸泥沙输运对于近岸实际工程建设有着重要的参考价值，对预测岸线演变有着十分重要的意义。
　　本文在自适应四叉树网格下建立了近岸波浪传播数值模型、波生流数值模型和近岸泥沙输运数值模型。相对于均一化网格，四叉树网格可以更好的模拟复杂的计算域和边界，尤其是对复杂的流体动力学领域;相对于一般的非结构化网格，四叉树网格在离散模型过程中不需要引入形函数，避免产生复杂的交叉项。本文采用的自适应四叉树网格还能够根据计算点处波长或水深与网格尺寸的关系自动对网格加密，相对现有模型可以节约大量的存储空间和计算时间。在该四叉树网格下，采用有限体积法对控制方程进行数值离散。
　　采用引入波浪破碎项的椭圆型缓坡方程数值模型对Hazaki海岸的波浪传播进行数值模拟，验证模型的正确性。采用平面二维浅水方程建立的近岸波生流数值模型对近岸波生流场进行数值模拟，并且采用Hamilton和Ebersole物理模型实验、A.J.H.M.Reniers*和J.A.Battjes物理模型实验对所建模型进行验证分析，讨论了该模型对于近岸复杂地形海域的适应性。
　　在近岸波浪及近岸波生流的基础上，采用二维悬沙扩散方程和底沙输运方程建立泥沙输运数值模型，对LSTF物理模型实验和Miller现场测量实验进行模拟验证分析，以证明不同地形及入射条件下模型的正确性和适用性。结果表明，本文所建立的波浪传播数值模型、近岸波生流数值模型以及泥沙输运数值模型能够较好的应用于近岸复杂岸界水域。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况及发展趋势

1．2．1 近岸波浪椭圆型缓坡方程的研究进展

1．2．2 近岸流波生流数值模型的研究进展

1．2．3 近岸泥沙输运数值模型的研究进展

1．3 本文的工作

2 四叉树网格下近岸波浪传播数值模型

2．1 近岸波浪传播数值模型

2．1．1 椭圆型缓坡方程

2．1．2 四叉树网格

2．1．3 方程的离散

2．1．4 边界条件

2．1．5 方程组的迭代及稳定性条件

2．2 近岸波浪传播数值模型的验证

2．3 小结

3 四叉树网格下近岸波生流数值模型

3．1 近岸波生流数值模型

3．1．1 平面二维浅水方程

3．1．2 方程的离散

3．1．3 边界条件

3．1．4 计算的稳定性条件及求解过程

3．2 近岸波生流数值模型的验证

3．2．1 Hamilton和Ebersole物理模型实验的模拟验证

3．2．2 Reniers和Battjes物理模型实验的模拟验证

3．3 小结

4 四叉树网格下近岸泥沙输运数值模型

4．1 近岸泥沙输运数值模型

4．1．1 二维悬沙扩散方程

4．1．2 推移质泥沙输运数值模型

4．2 近岸泥沙数值模型的离散

4．2．1 悬沙输运数值模型的离散

4．2．2 推移质输运数值模型的离散

4．2．3 边界条件

4．3 近岸波流场中泥沙输运数值模型的验证

4．3．1 LSTF模型实验的模拟验证

4．3．2 Miller实地测量实验的模拟验证

4．4 小结

5 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢