河口海岸三维水沙运动的间断有限元模型研究

摘要

三维数学模型是解决复杂条件下水沙运动的重要手段之一,在河口海岸工程泥沙问题的研究中发挥着越来越重要的作用。本文基于间断有限元方法建立了河口海岸三维水沙数学模型,数模结果与典型问题的解析解和实验数据进行了比较,证明了所建模型的可靠性和合理性。进一步利用该模型对黄骅港海域水沙运动进行了模拟研究,分析了泥沙运动和航道淤积变化规律。本文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)基于新型数值方法—间断有限元方法,建立了波流共同作用下的三维水动力数学模型,在该模型中考虑了垂向变化的辐射应力、波浪破碎引起的水滚效应、波浪产生的附加紊动效应以及波流共同作用下的底部切应力。选取典型算例对所建模型进行了测试和验证,结果表明所建数学模型的水动力计算结果与解析解和实测结果吻合程度较好。
　　(2)基于间断有限元方法求解对流扩散方程,并在模型中引入斜率限制器以抑制非物理振荡,增强模型的稳定性和捕捉间断浓度的能力,建立了具有二阶数值精度的波流共同作用下三维悬沙输移数值模型。模型针对不同波流动力条件,引入了纯流、纯波、波浪破碎影响以及波流共同作用等条件下的垂向扩散系数分布,并考虑了近底高含沙对水体紊动抑制的影响。利用大量经典解析解和水槽试验数据与模型模拟结果进行了比较,验证了所建模型的合理性。
　　(3)黄骅港海域潮流泥沙过程观测资料以及大风天波浪过程与航道淤积实测数据与模型模拟结果的比较表明,所建模型可以合理描述现场海域水沙运动,可以应用于工程泥沙问题的研究。模型的多组分泥沙模式也可以合理描述航道沉积泥沙中值粒径的变化规律。
　　(4)以黄骅港海域为例,利用建立的模型研究了粉沙质海岸在不同风级条件下水沙运动规律。结果表明,黄骅港海域在大风天气下出现强浪是形成近底高含沙水体的主要因素。在8级向岸大风作用下,航道两侧海床近底层会出现大范围的高含沙水体,而近底高含沙水体在航道内的不平衡输沙会对航道淤积造成重要影响。

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第一章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2河口海岸三维水沙数学模型研究进展

1.3本文主要研究工作

第二章 河口海岸三维水动力模型的建立

2.1原始FLUIDITY三维水动力模型

2.2考虑波浪影响的近岸水流运动模型

2.3考虑波流耦合效应的三维水动力控制方程及求解

2.4波浪模型

2.5波流耦合的实现

2.6本章小结

第三章 三维水动力模型的验证

3.1潮波和风生流验证

3.2近岸波生流验证

3.3实际潮波验证

3.4本章小结

第四章 三维悬沙输移的间断有限元模型

4.1三维悬沙输移数学模型

4.2空间离散

4.3时间离散

4.4斜率限制器

4.5数值积分

4.6本章小结

第五章 三维悬沙数学模型分析与验证

5.1精度分析

5.2捕捉间断能力分析

5.3模型验证

5.4本章小结

第六章 三维水沙模型在粉沙质海岸水沙输移运动中的应用

6.1模型设置

6.2模型验证

6.3强风浪作用下悬沙模拟及航道淤积验证

6.4不同风浪作用下水流及泥沙运动的数值模拟

6.5本章小结

第七章 结论与展望

7.1主要结论

7.2存在问题与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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