波浪潮流共同作用下长兴岛海区二维悬沙输运数值模拟研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangaimin143074
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对近岸海区的一些常见的海洋现象如海浪、风暴潮、环流、潮汐以及由它们衍生的泥沙输运和海底变形等过程的研究对于环境保护,海洋工程建设等方面具有非常重要的意义。已有研究表明,并不是孤立的存在这些现象,他们彼此之间存在着相互的作用。在已公开的报道中,大多数是基于结构化有限差分方法。在边界较为规则的条件下,使用基于结构化网格的差分方法的模型提供波浪场和流场是可接纳的,但当遇到像海岸河口这样具有复杂地形及岸线的区域,相对于结构化网格而言,使用非结构化三角形网格可使水动力场模拟的更加精确。至今为止,对近岸水动力的数值模拟研究一般是将波浪和潮流分开来处理的比较多,考虑波流耦合作用的少;即使是耦合计算,也是单向耦合的多,双向耦合的少;使用结构化网格的比较多,使用非结构化网格的比较少。所以建立一个双向的、非结构化有限体积方法、波流相互作用数学模型是必要的。本文建立了一个波浪潮流共同作用下长兴岛海区二维平面悬沙输运计算的数值模型系统,主要包括五个组成部分,分别为考虑风、波浪、潮流的复合二维潮流模型、SWAN风浪模式、波浪潮流相互作用边界层模型、平面二维悬沙对流扩散模型、底床冲淤变形模型。首先系统总结了波流耦合数值模型的历史以及研究现状,其中包含模型研究以及理论研究。然后利用两个理想地形算例验证模型,包括一个矩形海湾实验和李孟国数模实验,第一个实验的目的主要用来研究波流之间的相互作用,验证模型的耦合机制,并简单讨论了波流作用下泥沙的淤积情况,第二个实验的目的主要是用来考察辐射应力对水动力模型的影响。在确保耦合机制正确之后,将模型应用于大连长兴岛海区实际复杂地形悬沙冲淤过程算例,考察了波、流、泥沙之间的相互作用关系并且对模型的验证结果进行了较为详细的解释,阐述了波对流、流对波、波流对泥沙的影响机制。在矩形海湾算例,主要的结论为:在流速比较大的海区,考虑流的作用时,波浪会发生显著的变形。波浪受潮汐的影响会产生跟潮汐一样频率的周期性变化。一般说来,二者同向时,波高便会减小;二者反向,波高增大。波浪对潮流的作用,不论是对辐射应力还是对底摩阻的影响,主要是对流速来体现的。波流在同方向的时候,使得流速增大;波流在反方向的时候,则使得流速值变小。在李孟国数模实验中,主要结论为:波浪由深至浅传播途中,由于浅水对波浪的变形作用,会发生波浪破碎的现象,波浪破碎后导致波要素发生显著的变化,尤其在近岸海区,形成波浪增水以及近岸波生流。在长兴岛的模拟中,得出波浪对泥沙再悬浮起着非常重要的作用,在大风浪天气的时候,波浪会大大的增大底部剪切应力,对近岸流速也会有影响,深水中泥沙浓度比没有考虑波浪的泥沙浓度可增大几倍,在浅水中也可以大40%-100%,因此在悬沙计算中对波要素作用的考虑非常重要。
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