波浪、潮流共同作用下海床长期演变的数值模型及其工程应用研究

摘要

本文对该概化模式作了进一步的完善与推导，在已有的对悬移质运动特性研究的众多成果的基础上，将悬移质输移作为海床运动的主要影响因素，加入到B.Latteux海床长期演变概化模式中。从而，将该概化模式进一步推广到以悬移质运输移动为主的淤泥粉砂质海床的长期演变计算中，并建立了二维波浪、潮流共同作用下全沙(悬移质、推移质)海床长期演变数值模型。 在数值计算方面，基于无结构网格对复杂边界的较好适应性以及FVM(FiniteVolumeMethod)格式对对流项通量的良好守恒性，利用三角网格上的FVM的Roe型二阶迎风型格式分别对二维浅水方程、悬沙输移方程进行数值离散求解。并成功地引入了国际上较为成熟的第三代海浪模型SWAN(40.41)，利用改进后的矩形网格向三角形网格插值技术，配合三角网格下FVM格式的复合流场模型和全沙模型的计算。其中，在复杂地形条件下，为避免模拟底部地形多变的静止水体时水体发生虚假流动，对通量梯度项和源项采用Rogers方法进行了平衡处理；在对流项通量Roe型二阶迎风格式重构的基础上，加入Sweby限制器来保证重构的单调性和抑止其振荡。在数值求解方法方面，本文采用Ambrosi提出的分步求解方法对二维浅水控制方程以及悬移质运动方程进行求解，该方法能够很好地避免由于源项而引起的计算不稳定。分别利用K.ANSTASIOU二维溃坝的数值计算结果、波浪在圆形浅滩上变形和在双突堤中传播变形的实验数据以及在黄河三角洲桩西海域所实测的悬沙浓度数据，分别对水动力模型(潮流、波浪模型)以及泥沙运动模型进行了验证，取得了较为理想的结果。 探讨了黄河三角洲桩西海域的特征波、代表潮的选取方法，并以其代入本计算模型，对黄河三角洲周围海域的水动力特征以及桩西海域海床长期演变规律分别进行了验证和解析。其中，选取特征波时，将该海域的波况分为强浪以及常见浪两种波况，再分别进行加权平均概化处理的方法。该海域的潮流条件采用三个代表潮(分别接近大潮、中潮以及小潮)来进行构建。由数值模拟结果，总结了该海域的海床长期演变规律。 本数学模型能够较好地模拟出以“悬移质运动为主”的海床长期演变的特征，可以应用于淤泥粉砂质海床的长期演变计算。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文背景及研究意义

1.2国内外研究现状综述

1.3本文的研究内容

2水动力数学模型构建及其应用

2.1潮流运动控制方程构建以及数值离散

2.2波浪模型SWAN

2.3本章小结

3波浪、潮流联合作用的泥沙数学模型的构建及其应用

3.1考虑波浪作用的潮流控制方程

3.2泥沙输运模型

3.3泥沙运动方程组离散及求解

3.4黄河三角洲桩西海域悬沙浓度数值计算

3.5本章小结

4海床长期演变模型的建立及其应用

4.1输入数据的概化处理

4.2海床长期演变数学模型的建立

4.3泥沙模型在黄河三角洲桩西周围海域应用

4.4本章小结

5结论以及展望

5.1主要结论

5.2展望

参考文献

附录

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢