波、流联合作用下二维水流、泥沙数学模型研究

论文摘要

淤泥质海岸泥沙的淤积问题一直是困绕港口、航道正常作业的关键问题。二维水流泥沙数学模型是计算航道和港内泥沙淤积量的有效方法,本文拟对此开展研究。主要研究工作概括如下。一、用COASTTOOL2D水流模型进行流场模拟,并对模型进行了改进。在数值模拟中发现,原COASTTOOL2D水流模型在底坡较大时通量计算会产生较大误差。其原因是在非线性通量计算中近似采用了单元边平均水深,本文通过积分导出了倾斜底坡下对流通量的补偿项,从而使模型可推广到地形变化较大的区域。二、在动边界处理中,新提出一种网格淹没度的概念,并据此导出一种控制方程新的离散方法,将半淹没网格视为渐变连续体处理,使边界处水量计算与动边界实际位置相吻合。应用此种方法可以将动边界单元与内单元统一处理,从而避免了动边界处因干湿单元变换引起的数值振荡。此方法的特点是在无须重新划分网格前提下达到可变网格的计算效果,理论上严谨,应用方便,计算准确且速度较快,在工程中有很强的实用性。三、新提出一种线单元处理方法,用于模拟水下强变化地形——潜堤。数值实验表明,潜堤淹没前后,流场可以平顺过度,增强了模型的适应性。四、在水流和泥沙模型中考虑波浪的影响,建立了波流共同作用下悬沙输运数学模型,运用该模型对天津港及其周围海区泥沙运动过程进行了模拟。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 相关研究工作回顾及其发展现状
• 1.2.1 潮流数学模型的研究
• 1.2.2 波、流共同作用下泥沙数学模型的研究
• 1.2.3 动边界技术
• 1.3 COASTTOOL水流模型简介
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 波浪作用下的二维水流泥沙数学模型基本理论
• 2.1 波浪作用下的二维水流数学模型
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 边界条件
• 2.2 波浪、水流共同作用下的二维泥沙数学模型
• 2.2.1 二维悬沙输运控制方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 床面变形方程
• 第三章 控制方程的数值求解
• 3.1 水流控制方程的离散
• 3.1.1 有限体积法离散控制方程基本过程
• 3.1.2 对流项的计算
• s 和单元平均水深H 的确定'>3.1.3 淹没度α_s 和单元平均水深H 的确定
• 3.1.4 间断的处理
• 3.2 悬沙输运方程的离散
• 3.3 计算流程图
• 第四章 水流模型验证
• 4.1 改进的对流项计算模式的效果验证
• 4.2 均匀流验证
• 4.3 动边界处理方法的验证
• 4.3.1 均匀底坡算例
• 4.3.2 均匀底坡上圆形浅滩算例
• 4.4 潜堤等奇异地形的近似模拟
• 第五章 天津港港域波流共存下的泥沙数值模拟
• 5.1 自然条件
• 5.1.1 潮汐
• 5.1.2 航道潮流
• 5.1.3 波浪
• 5.1.4 底质泥沙
• 5.2 泥沙数学模型的建立
• 5.2.1 计算域的确定及初始条件和边界条件的处理
• 5.2.2 网格划分及有关参数的确定
• 5.2.3 波浪条件的设定
• 5.3 计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文的总结及建议
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢