海岸、河口區(qū)三維近岸環(huán)流與物質(zhì)輸運(yùn)數(shù)值研究.pdf

1、波浪、潮流是海岸、河口區(qū)的主要?jiǎng)恿σ蛩?兩者同時(shí)存在并且相互作用,相互影響。波浪由外海向海岸傳播時(shí),由于地形水深等的變化,發(fā)生折射繞射,淺水變形,直到破碎,產(chǎn)生波生近岸流,它也是岸灘演變,物質(zhì)輸移擴(kuò)散等的重要?jiǎng)恿σ蛩?。目?基于水深平均的平面二維波生近岸流模型或波生近岸流相互作用模型已經(jīng)在工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。然而自然界水流在垂向上并不是均勻分布,其垂向變化往往對(duì)建筑物的穩(wěn)定和地形演變?cè)斐娠@著影響。因此,我們不僅僅要了解水位的分布和

2、變化,還需要了解水流的垂向變化,要研究這些問(wèn)題只有三維模式才能實(shí)現(xiàn)。
　　 本文是在原有的三維波流耦合數(shù)學(xué)模型COHERENS-SED基礎(chǔ)上將之進(jìn)行了完善,提高了模型的三維精度,使其能夠正確模擬水流結(jié)構(gòu),特別是垂向結(jié)構(gòu)。
　　 首先,將垂向平均輻射應(yīng)力改進(jìn)為垂向變化輻射應(yīng)力,以附加項(xiàng)的形式添加到潮流方程中,研究其對(duì)潮位和流速的影響。模擬了均勻坡度的理想地形條件下的波生近岸流場(chǎng),得到了波生近岸流的垂向環(huán)流結(jié)構(gòu),這與理論分析

3、和試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果相一致,也驗(yàn)證了模型的精確性和可靠性。
　　 另一方面,由于波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了速度梯度,引起剪切的不穩(wěn)定性產(chǎn)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應(yīng),在垂向渦粘系數(shù)中加進(jìn)了波浪引起混合項(xiàng),改進(jìn)了垂向混合系數(shù)的計(jì)算方法。通過(guò)建立的一維數(shù)值試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證波浪的作用和效果,當(dāng)考慮了浪致垂向混合時(shí),水流的垂向摻混作用明顯加強(qiáng),垂向渦動(dòng)粘性系數(shù)對(duì)水平流速的垂向分布起著重要的作用。
　　 將改進(jìn)

4、的三維波流耦合模型應(yīng)用到黃河三角洲,模擬了河口區(qū)的表層和底層波生近岸流的情況,波生近岸流在水深小于5m的淺水區(qū)較強(qiáng),較深處則較弱,可以忽略。垂向變化的波浪輻射應(yīng)力所產(chǎn)生的波生近岸流在表層比垂向平均的流速大,底層則剛好相反。進(jìn)一步研究了波生近岸流對(duì)泥沙的輸運(yùn)作用,當(dāng)考慮波生近岸流時(shí),泥沙的擴(kuò)散范圍變大。利用考慮了浪致垂向混合的模型模擬了黃河口的表層、底層流場(chǎng)和淡水?dāng)U散,考慮了浪致垂向混合后,表層流速減小,底層流速增大,說(shuō)明浪致垂向混合使得