海岸、河口区三维近岸环流与物质输运数值研究

摘要

波浪、潮流是海岸、河口区的主要动力因素,两者同时存在并且相互作用,相互影响。波浪由外海向海岸传播时,由于地形水深等的变化,发生折射绕射,浅水变形,直到破碎,产生波生近岸流,它也是岸滩演变,物质输移扩散等的重要动力因素。目前,基于水深平均的平面二维波生近岸流模型或波生近岸流相互作用模型已经在工程中得到较为广泛的应用。然而自然界水流在垂向上并不是均匀分布,其垂向变化往往对建筑物的稳定和地形演变造成显著影响。因此,我们不仅仅要了解水位的分布和变化,还需要了解水流的垂向变化,要研究这些问题只有三维模式才能实现。
　　 本文是在原有的三维波流耦合数学模型COHERENS-SED基础上将之进行了完善,提高了模型的三维精度,使其能够正确模拟水流结构,特别是垂向结构。
　　 首先,将垂向平均辐射应力改进为垂向变化辐射应力,以附加项的形式添加到潮流方程中,研究其对潮位和流速的影响。模拟了均匀坡度的理想地形条件下的波生近岸流场,得到了波生近岸流的垂向环流结构,这与理论分析和试验观测结果相一致,也验证了模型的精确性和可靠性。
　　 另一方面,由于波浪运动产生了速度梯度,引起剪切的不稳定性产生湍流,形成非破碎浪致垂向混合,故本文在耦合模式中引入了浪致垂向混合效应,在垂向涡粘系数中加进了波浪引起混合项,改进了垂向混合系数的计算方法。通过建立的一维数值试验来验证波浪的作用和效果,当考虑了浪致垂向混合时,水流的垂向掺混作用明显加强,垂向涡动粘性系数对水平流速的垂向分布起着重要的作用。
　　 将改进的三维波流耦合模型应用到黄河三角洲,模拟了河口区的表层和底层波生近岸流的情况,波生近岸流在水深小于5m的浅水区较强,较深处则较弱,可以忽略。垂向变化的波浪辐射应力所产生的波生近岸流在表层比垂向平均的流速大,底层则刚好相反。进一步研究了波生近岸流对泥沙的输运作用,当考虑波生近岸流时,泥沙的扩散范围变大。利用考虑了浪致垂向混合的模型模拟了黄河口的表层、底层流场和淡水扩散,考虑了浪致垂向混合后,表层流速减小,底层流速增大,说明浪致垂向混合使得流速在垂向上分布的更均匀;浪致垂向混合作用增强了表层淡水和底层海水的垂向混合,淡水羽状流被明显的“挤压

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 波流耦合研究现状

1.2.2 辐射应力和波生近岸流

1.2.3 垂向混合研究概述

1.2.4 已有研究成果综合分析及尚需进一步解决的问题

1.3 本文的研究目的与研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 研究目的

1.3.3 研究内容

参考文献

2 模型理论基础

2.1 COHERENS水动力模块

2.1.1 主控方程

2.1.2 定解条件

2.1.3 数值离散方法

2.1.4 内外模式衔接

2.2 波浪模型SWAN

2.2.1 SWAN模型主控方程

2.2.2 物理过程

2.2.3 边界条件

2.2.4 数值计算方法

2.3 小结

参考文献

3 波生近岸流模拟

3.1 波生近岸流的产生

3.2 波流联合作用下的控制方程组

3.2.1 经典辐射应力理论

3.2.2 考虑垂向变化的辐射应力公式推导

3.2.3 考虑垂向变化辐射应力的主控方程

3.3 波生垂向环流的模拟

3.4 小结

参考文献

4 浪致垂向混合

4.1 垂向涡粘系数计算

4.1.1 湍流混合

4.1.2 浪致垂向混合系数

4.2 风生海流

4.2.1 无限深海的漂流

4.2.2 有限深海的漂流

4.3 垂向一维的数值模拟

4.3.1 模型验证

4.3.2 130m水深的风生流

4.3.3 20m水深的风生流

4.4 小结

参考文献

5 改进的三维波流耦合模型在黄河三角洲的应用

5.1 三维波生沿岸流模拟

5.1.1 模型设置

5.1.2 模形验证

5.1.3 模拟结果讨论

5.2 三维波生沿岸流影响下的悬沙场

5.2.1 悬沙输移的模型设置

5.2.2 模拟悬沙浓度的验证

5.2.3 模拟悬沙分布

5.3 黄河口浪致垂向混合作用下的流场垂向结构

5.3.1 研究背景

5.3.2 模拟结果及分析

5.4 黄河口浪致垂向混合下表底层流场

5.5 黄河口浪致垂向混合下盐度三维扩散

5.6 小结

参考文献

6 结论与展望

致谢

个人简历

发表的学术论文及成果

参与的科研项目

获得奖励