非結(jié)構(gòu)波流耦合模型及近岸物質(zhì)輸運應(yīng)用研究.pdf

1、近岸物質(zhì)輸運涉及海洋環(huán)境和泥沙運動兩大重要問題，其范圍可達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百公里。近岸物質(zhì)輸運的核心動力為近岸海水的流動，該流動包含了潮流、波浪引起的波生流和風(fēng)生流等不同海洋動力要素的非等量貢獻(xiàn)。構(gòu)筑適應(yīng)大范圍近岸物質(zhì)輸運數(shù)值計算的水動力平臺，成為近岸物質(zhì)輸運研究關(guān)注的熱點。已有研究中，風(fēng)生流可通過在潮流模型中加入海面邊界條件加以考慮，而考慮波生流的近岸流場模擬現(xiàn)有兩種方法:一種是近岸波流統(tǒng)一模型，如基于Boussinesq方程的波生流統(tǒng)一模

2、型[122]，另一種是利用獨立的近岸波浪模型計算波浪輻射應(yīng)力等影響參量，再將其作為驅(qū)動因素添加到潮流場中，即為耦合模型。現(xiàn)波流統(tǒng)一模型在實際應(yīng)用中僅適合于較小范圍計算;而耦合模型可以考慮波浪—潮流的相互影響，又可適應(yīng)于近岸大范圍海水的流動模擬，是研究大范圍波流耦合的現(xiàn)實途徑。大范圍波浪模擬的控制方程主要為波譜平衡方程，而考慮波浪繞射則需要增加光程函數(shù)方程等進行聯(lián)合求解。此外在數(shù)值計算中為實現(xiàn)波浪和潮流參數(shù)的直接交互，采用同一非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

3、是便捷有效的方法;同時有限體積法能保證參量在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下離散時的通量守恒。目前尚缺乏將基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法應(yīng)用于上述波浪模型的相關(guān)研究。同樣在考慮波生流的近岸流場模擬研究中，迄今也尚未見利用上述波浪模型與潮流進行耦合的相關(guān)研究。
　　本文在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下，構(gòu)建了一個考慮波生流影響的大范圍近岸海水流動的耦合模型;并在該水動力平臺上結(jié)合物質(zhì)輸運方程及粒子追蹤方法，構(gòu)成保守物質(zhì)輸運模型，對實際海域的保守物質(zhì)輸運過程和特征粒子遷移規(guī)

4、律進行了應(yīng)用研究。
　?、呕谛薷暮蟮牟ㄗV平衡方程和光程函數(shù)方程，建立了近岸大范圍波浪模型。模型可考慮波浪繞射效應(yīng)。波譜平衡方程采用算子分裂法分步數(shù)值求解，變量的空間離散則基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用有限體積法求解。波浪模型考慮了非均勻流場對其傳播變形的影響，且波浪參量離散基于交錯控制體，為后續(xù)與非結(jié)構(gòu)流場模型的耦合提供了參量交互條件。通過多個實例驗證了模型的精度和適應(yīng)性。
　?、岂詈先S流場模型與非結(jié)構(gòu)波浪模型，得到近岸波流耦合模型

5、。波浪、潮流及參量交互過程基于同一非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，計算效率較高。模型中流場考慮了波致輻射應(yīng)力、波浪紊動及波流邊界條件等因素，而波浪場則考慮流場的流速、流向及水位等條件影響。在波致輻射應(yīng)力項中引入三維計算公式來研究波生流的垂向結(jié)構(gòu)，同時模擬了理想和實際環(huán)境下的波生流場形態(tài)，以及波流耦合過程。結(jié)果表明波浪破碎會在近岸產(chǎn)生不同形態(tài)的波生流場，輻射應(yīng)力的平面和垂向分布不均會引起平面及垂向環(huán)流。
　?、菍⒔恫黢詈夏Ｐ团c物質(zhì)輸運方程結(jié)合

6、，得到近岸波流耦合下的保守物質(zhì)輸運模型。采用該模型，計算了純浪、純流以及浪流共同作用下保守污染物的遷移擴散問題，并進行了對比研究;模擬了不同條件下的污染物離散系數(shù)、遷移擴散過程，研究了波生流對近岸物質(zhì)輸運的影響。結(jié)果表明:波浪對污染物擴散的影響和流場在同一個數(shù)量級，近岸波浪破碎后產(chǎn)生的沿岸流場是污染物近岸輸移的主要影響因素之一。
　　⑷結(jié)合粒子追蹤法，將波流耦合下的近岸物質(zhì)輸運模型應(yīng)用于大連灣及琥珀灣兩個實際海域中，主要研究了近岸

7、保守物質(zhì)輸運的規(guī)律。在大連灣海域，模擬計算的內(nèi)容包括:耦合水動力場、余流場、特征粒子的遷移軌跡、保守污染物的輸移特征和規(guī)律以及人工島建設(shè)對灣內(nèi)物質(zhì)輸運的影響。模擬得到:波生流對灣內(nèi)流場影響較小，潮流是灣內(nèi)污染物向外遷移的主要動力。保守污染物主要隨潮致余流的方向遷移，灣南部及灣內(nèi)各個子灣水域污染物易在灣內(nèi)滯留。不同方案的人工島對灣內(nèi)不同區(qū)域的物質(zhì)輸運的影響不同，其尺度、形狀和位置需進一步優(yōu)化。在旅順琥珀灣海域，研究內(nèi)容主要是琥珀灣現(xiàn)狀條件