浪流共同作用下的三维悬沙数值模拟

论文摘要

海岸、河口区属于海洋与陆地相互作用的区域,潮汐、淡水径流、波浪的变形、折绕射、破碎等各种动力因素共同产生作用,构成了海岸、河口区域复杂的动力系统,控制着海岸、河口区的泥沙输运。由于海岸、河口区域水深较浅,波浪影响显著,因此同时考虑波浪和潮流这两个因素共同作用对研究海岸、河口区的悬浮泥沙输运是十分必要的。在有风浪的情况下,悬沙浓度分布情况会存在显著改变,为研究波浪尤其是风暴浪对悬浮泥沙的影响,本文主要进行以下工作:首先,运用改进的椭圆形台风风场模型,结合9711号天气过程的移动路径、中心气压等台风要素,成功模拟了台风所经地带风场、气压场的变化过程。经与实测资料对比验证了模式的精度;其次,将椭圆形风场模型计算的风场条件输入到SWAN波浪模型,采用三级嵌套的方法成功模拟了日照海区的波浪场,得出9711天气过程中的有效波高和周期等波浪要素的发展变化过程,并与实测资料进行验证;再次,运用COHERENS三维水动力模式,采用三级嵌套模型计算了日照近海的潮汐、潮流、风暴潮过程并与实测资料进行对比,验证了模式的可靠性。最后,为探求波浪作用对悬沙运动规律的影响,以经过验证的水动力场作为背景场,运用COHERENS-SED三维水动力悬沙模式,对日照海域的悬沙浓度分以下三种情况进行了模拟:1)考虑潮流和风暴浪过程;2)仅考虑潮流;3)考虑累年平均波要素和一般天气情况（累年平均风场、标准大气压）。得到以下结论:与单纯潮流作用相比,在有风浪的情况下,悬沙浓度分布情况会存在显著改变,整个海区总体含沙量大幅提高,在近岸区域尤为显著。考虑潮流、一般波浪和天气因素共同作用下的水体悬沙浓度比仅潮流作用下增大40%～100%。考虑9711号天气过程产生的台风浪作用下的水体悬沙浓度则比一般波浪和天气因素作用条件下增大约4倍。可见波浪是掀沙的重要动力过程,其对模拟结果影响很大,在悬沙输运数值模拟中为不可忽略的动力因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义和目的
• 1.2 相关研究工作的回顾及现状
• 1.2.1 泥沙数值模拟发展及研究现状
• 1.2.2 风暴潮数值模拟的研究现状
• 1.2.3 海浪数值模拟的研究现状
• 1.2.4 风暴作用下的悬浮泥沙数值模拟的研究现状
• 1.3 本文的工作
• 2 模式介绍
• 2.1 风场模型
• 2.1.1 Jelesnianski 风场模型
• 2.1.2 椭圆形台风场模型
• 2.2 波浪模式介绍
• 2.3 风暴潮天文潮耦合模式介绍
• 2.3.1 COHERENS 水动力模块介绍
• 2.3.2 主控方程
• 2.3.3 垂向涡粘、涡扩散系数计算方法
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 数值离散方法
• 2.4 悬沙模式介绍
• 2.4.1 悬浮泥沙主控方程及边界条件
• 2.4.2 悬浮泥沙沉降速度的计算
• 2.4.3 沉积通量、沉积速率的计算
• 2.4.4 底床泥沙侵蚀通量、侵蚀速率的计算
• 2.4.5 底床处理
• 3 模拟海域概况及模式验证
• 3.1 日照海域概况介绍
• 3.2 模型设置及边界条件
• 3.2.1 水动力模型网格设置及边界条件
• 3.3 模拟结果验证及分析
• 3.3.1 水动力模型模拟结果检验及分析
• 3.3.2 风场、波浪场模型模拟结果检验及分析
• 3.3.3 风暴潮数值模拟验证及分析
• 4 日照海域三维悬沙数值模拟
• 4.1 9711 号天气过程中日照海域悬浮泥沙数值模拟及分析
• 4.2 纯天文潮流作用下日照海域悬浮泥沙数值模拟及分析
• 4.3 一般天气情况下日照海域悬浮泥沙数值模拟及分析
• 4.4 波浪对悬沙浓度影响分析
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文