温洪涌[1]2008年在《海岸泥沙输移的数值模拟及其应用》文中认为河口海岸是地球能量流和物质流的重要聚散地带;是人口相对密集,海岸工程比较集中的地区。随着经济的发展,污染物排放处置、滩涂促淤围垦和海洋环境保护等方面的问题日益突出,为此,河口海岸环境变异的研究,无疑是非常重要而迫切的问题。而研究河口海岸最为重要的基础性问题之一就是河口海岸的泥沙输运问题。目前主要的泥沙问题研究方法是理论研究、实验室实验、现场观测和数值模拟。本文在现有河口海岸动力学理论、泥沙运动理论和数值计算方法的基础上,对近岸潮流和泥沙运动特性及其数值模拟进行了探讨,建立了适用于河口、海岸区域的平面二维水流泥沙数学模型。模型由水动力模型、泥沙输运模型和海岸演变模型三部分组成。其中水动力模型采用ADI法求解非线性浅水环流方程,泥沙输运模型和海岸演变模型同样采用该方法求解悬沙扩散方程和海岸演变方程。采用长兴岛附近海域实测潮流和泥沙资料对模型进行了验证。潮流、含沙量和冲淤的模拟结果与实测资料吻合良好,表明本文建立的悬沙输移模型能够较好的模拟海岸区域的悬沙输移过程和海岸冲淤过程。最后应用本模型研究了南堡人工岛附近海域的潮流和泥沙冲淤情况。
许栋[2]2008年在《蜿蜒河流演变动力过程的研究》文中提出作为构成蜿蜒河流的基本要素,形状规则而又极其相似的河弯形态蕴涵着深层次的动力机制。蜿蜒河流的河弯随时间变化而不断地蠕动、迂回和迁移,这种运动称为河弯动力过程或蜿蜒河流演变动力过程。河弯动力过程的研究对河流开发与治理工程、跨河桥梁及沿河交通设施的选址、油气资源勘探以及河流生态修复等均有着重要意义。河弯问题的研究涉及到多种时间和空间尺度、以及多个学科内容,本文从水动力学、河流动力学以及地貌动力学的角度对冲积性蜿蜒河流河弯问题进行多角度、交叉学科研究,主要内容和创新之处有:对自然界中大型蜿蜒河流的平面形态进行多尺度分析和几何分形分析,建立了对河弯形态识别、概化以及特征量统计分析的方法。分析结果表明,与弯曲度参数相比,分形维数能够更好地描述大型河流平面形态的蜿蜒性和不规则性,河流平面形态小尺度的分形维数主要反映河弯的发育情况,而大尺度的分形特征则反映流域地形的不规则性。建立了模拟明渠水流运动的三维数学模型,研究了弯曲度、水深、河宽、床面形态等因素对弯道水流运动特性的影响;对弯道水流运动各特征量进行量级分析,为基本方程向二维和一维简化提供了理论依据。数值试验结果表明,自然河流河弯中的主流、二次环流和流速重分布特征是与自然河弯的特殊几何形态特征、水深条件紧密相连的,水深越小则流速沿横向的重分布越为显著;河宽越小则水流动力轴线在凹岸的顶冲点越为提前。自然河流流量的非恒定性是对河弯演变过程的一种强烈扰动,本文建立了弯曲河道中非恒定水流运动的平面二维数学模型,对该扰动展开了初步研究。基于河弯水流运动的线性理论以及地形沉积的概念模型建立了河弯运动和地形沉积发展的耦合数学模型,模型中对传统的线性河岸侵蚀模式进行改进,建立了非线性的河岸侵蚀模型。根据大量的模拟结果,揭示了在一定条件下河流具有消除外界施加的随机扰动的河道滤波功能。利用室内模型试验研究了弯道水流泥沙运动特性以及模型河流造床特性、河弯演变特性;作为另外一项创新性工作,本文根据模型试验测量的需要,研制了基于粒子跟踪技术(PTV)的表面流场测速系统和高效的断面地形测量系统。
赵恩宝[3]2008年在《长江口水文、泥沙过程与圆桩冲刷的数值模拟》文中认为本文主要利用ECOMSED模式对长江口及邻近海域的水文、泥沙过程进行三维数值模拟,并结合实测资料分析其水动力、泥沙输运、底床冲淤等特征;然后利用欧拉二相流模型模拟小尺度条件下长江口底床上圆桩周围的水流和泥沙冲刷、输运规律。通过资料分析和ECOMSED数值模拟结果比较,我们得出:长江口口门内为非正规半日潮流区,潮流运动形式多为往复流,落潮流占优。落潮流速大于涨潮流速,流速垂向分布从表层到底层递减。悬沙浓度与流速关系密切,一般来说,流速越大,悬沙浓度越高;一个潮周期过程中会出现两次、三次或四次泥沙再悬浮,分别是涨急、落急、涨转落、落转涨时刻;盐水楔结构对粘性与非粘性悬沙浓度的分布起决定性作用,转流时泥沙再悬浮主要是由于这时会出现盐水楔,并形成垂向环流,使床面大量未被固结的泥沙再悬浮,形成峰值。悬浮泥沙垂向分布可分为垂线型,斜线型,抛物线型和L型。流场和底床冲淤变化与水深关系密切:深水区,流速较大,底床冲淤变化也较大。其中,受径流影响区表现为淤积,受潮流影响区表现为冲刷;浅水区基本表现为淤积。从模式运行结果和实测资料比较可以看出,该模型可以较好的模拟长江口水流、悬浮泥沙分布与变化;能够再现在径流入海口处,盐水楔结构及其诱生的垂向环流从形成到发展,又到消失的完整过程;也能够展示底床的冲淤变化。对于我们模拟长江口背景流场,了解该区域内水动力变化、悬浮泥沙输运、底床冲淤等有重要意义。在欧拉二相流模型对长江口底床上圆桩周围的水流和局部冲刷数值模拟过程中,我们不仅考虑水流和泥沙之间的作用,还引入泥沙颗粒之间的相互影响。模拟结果较合理的展示了圆桩周围的流场类型和底床冲刷变化:在圆桩前方,流速减小并形成垂向涡旋,从而产生局部冲刷;在圆桩两侧,水流加速,挟带上游泥沙向下输送,并在内侧堆积;而在圆桩后面,存在流速分离区。在该分离区内流速很小,并且当流速较大时,会产生回流,形成两个对称的漩涡。流速越大,圆桩前由垂向涡旋引起的局部冲刷就越明显;而当底床泥沙粒径变小时,泥沙临界起动流速变小,底床也更容易被冲刷。悬浮泥沙浓度分布受流场的影响,并且当粒径小而流速大时,能悬浮到更高的深度。
张丽珍[4]2008年在《黄骅港海域泥沙运动的三维数学模拟》文中研究说明黄骅港海岸属于粉沙淤泥质海岸,黄骅港自建港以来外航道屡次出现强淤和骤淤,研究黄骅港海域泥沙运动对于港口发展具有重要意义。为此,本文建立了综合考虑风、浪、流作用的三维水动力泥沙数学模型,并将其应用于黄骅港实际工程问题的研究,包括对黄骅港的滩面泥沙粗化问题和航道淤积问题进行分析。本文的具体工作和结论如下:首先,本文建立了SWAN风浪模型和EFDC水动力泥沙模型,将潮流、波浪、泥沙三者耦合,构成了考虑风、浪、流共同作用的三维多组分泥沙运动模型,并采用多重嵌套模型模拟黄骅港海域水动力、泥沙运动,模型得到黄骅港海域实测数据的验证。其次,将所建立的模型应用于黄骅港海区滩面泥沙粗化现象的模拟。计算结果表明,在6级和8级大风作用下,近岸处海滩床面均发生粗化现象,并且体现出了宏观上自南向北、自东向西滩面粒度由粗渐细的规律。而且风级较大时,底床颗粒的粗化更明显一些。最后,利用将所建立的模型对黄骅港在外航道整治工程前后航道淤积状况和回淤物的组成进行分析。结果表明,整治工程以后航道淤积量减小很多,且淤积物中细颗粒泥沙含量增大,整治效果明显。
陶洪飞[5]2014年在《分离鳃的水沙流场数值分析及试验研究》文中研究指明《垂向异重流式水沙分离鳃》(简称“分离鳃”)是一种新型的水沙分离装置，由鳃片与鳃管构成。本文在分离鳃已取得的研究成果基础上，为进一步探明分离鳃水沙两相流流场，揭示分离鳃水沙分离机理，并进一步对其结构进行优化，以及将分离鳃运用于实际工程时的结构型式，采用了物理模型试验、数值计算及中间试验对分离鳃进行了研究。(1)为研究浑水含沙量和鳃片间距对分离鳃水沙分离效率的影响，在分离鳃和无鳃片普通管中进行了静水沉降试验。试验结果表明：①浑水含沙量为10~80kg/m3时，分离鳃中泥沙平均沉速更大，水沙分离效率更高；同一含沙量下分离鳃中的泥沙平均沉速是普通管的1.65倍左右。②鳃片间距为5cm时，泥沙平均沉速最大，水沙分离效率最高；不同鳃片间距的分离鳃水沙分离效率高于普通管，其泥沙平均沉速是普通管的1.4~3.25倍。(2)采用Fluent软件提供的欧拉模型与混合模型，对分离鳃内的水沙两相流流场进行了数值模拟，将计算结果与PIV测试结果进行了定性和定量对比，发现欧拉模型适合模拟分离鳃内的水沙两相流流场。进而利用欧拉模型的计算结果分析了分离鳃内的泥沙及速度分布特性。结果表明：鳃片上表面的平均含沙量及泥沙平均速度分布规律以及鳃片下表面的平均含沙量与清水平均速度分布规律都与鳃片所在位置和时间有关；泥沙通道中泥沙平均速度与清水通道中清水平均速度随时间变化规律一致，且泥沙平均速度总体上大于清水平均速度。采用数值模拟的方法研究了浑水含沙量、鳃片倾斜角、鳃片间距及泥沙粒径对分离鳃速度场及水沙分离效率的影响。计算结果表明：①浑水含沙量对分离鳃内速度流场没有影响；浑水含沙量越小，分离鳃的水沙分离效率就越高。②不同鳃片倾斜角下，分离鳃的速度流场不同，根据几何关系推导出了不同鳃片倾斜角下泥沙在鳃片上表面的滑动倾斜角及方位角；鳃片β倾斜角对分离鳃水沙分离效率影响最大，其次是鳃片α倾斜角。③鳃片间距越小，则速度流场受到来自泥沙通道下降的泥沙流与清水通道上升的清水流影响就越小；考虑分离鳃水沙分离效率高和鳃片间速度流场干扰少，选择最优鳃片间距为5cm，该结果与物理模型试验结果一致。④泥沙粒径为0.0001mm时，分离鳃中的速度场与泥沙粒径为0.005~0.035mm不同；泥沙粒径越大，水沙分离效率就越高。(3)结合试验及数值计算结果，从分离鳃的结构型式、流场分布特性及高度方向上平均含沙量分布特性揭示了分离鳃加速水沙分离的机理。(4)采用中间试验的方法分别对封闭式分离鳃沉淀池、敞开式分离鳃沉淀池及普通沉淀池进行了静水和动水的水沙分离试验。结果表明：两种新型的分离鳃沉淀池在静水沉降时出水浊度随时间变化可分为浊度迅速减小和浊度缓慢减小两个阶段；动水沉降时，水力负荷对出水浊度变化影响很大，水力负荷愈小，出水浊度愈小，水沙分离效率愈高，而当水力负荷达到一定值时两种沉淀池里的分离鳃将失去作用，与普通沉淀池的水沙分离效率相同；封闭式分离鳃沉淀池的水沙分离效率高于其他两个沉淀池。
张艳飞[6]2008年在《ECOMSED模型动边界处理及其应用》文中进行了进一步梳理ECOMSED模式垂向采用Sigma坐标系,在近海潮流数值模拟中已得到广泛应用。但是,ECOMSED水动力模块中未包含动边界处理技术,对近海潮间带水流的模拟显得无能为力。本文在ECOMSED水动力模块的基础上,引入动边界技术,并利用二维单一斜坡地形和二维圆形浅滩斜坡地形对其进行验证,数值模拟结果显示,改进后的ECOMSED水动力模块能成功再现由涨落潮引起的潮间带出没现象,而且水面线较光滑,没有产生零水深和负水深。利用改进后的ECOMSED水动力模块模拟了南排河中心渔港附近海域的潮流运动。潮位和流速的验证结果表明,计算值与实测值之间的误差较小,说明改进后的ECOMSED水动力模块的求解方法、边界条件和参数取值是合理的。在此基础上耦合了波浪模块和粘性泥沙输运模块,分别模拟了南排河中心渔港附近海域在纯潮流作用下的泥沙运动以及波浪和潮流共同作用下的泥沙运动。模拟结果显示,两者都较好的模拟了该地区的泥沙运动,悬沙浓度计算值与实测值基本吻合,说明在模拟潮流为主海域的泥沙运动时,只考虑潮流的作用忽略波浪的影响是可行的,但考虑波浪影响比忽略波浪作用的计算值与实测值的吻合程度要好,这说明在模拟潮流为主海域的泥沙运动时,如果条件允许的话,最好考虑波浪的影响。本项研究拓宽了ECOMSED模式的应用范围和领域,提高了ECOMSED模式对近岸海区的模拟能力。
邹山[7]2000年在《近岸水流和泥沙的数值模拟及其应用》文中指出本文论述了水动力泥沙数值模拟的发展现状与趋势。结合水流泥沙数学方程的推导，对其中某些参数的物理意义进行了探讨。 在水流数值模拟中，本文采用三角单元有限差分法对水流基本方程显式求解，用嵌套网格和移动水边界技术对大范围开敞浅滩水域具有旋转潮波性质的水流进行数值模拟，该方法简单实用，可有效解决此类水流流向难以模拟问题。 在悬沙输移和床面变形数值模拟方面，本文建立了两种模式：（1）基于回淤率公式的推广模式，即根据刘家驹淤泥质海岸航道港池淤积计算方法，从悬沙运动方程出发的地形变化动床模式。（2）基于悬沙对流扩散方程的数值模式，即在大量现场资料和对计算水域含沙量场验证基础上，计算研究区域内的冲淤分布。 将本文所建立的两种模式分别应用于某工程实例，取得较满意的结果。通过对计算结果的分析，对这两种模式进行了评述。 在论文研究的基础上，作者还提出了水流泥沙数值模拟尚需进一步深入研究的问题和思路。
赵张益[8]2013年在《河口海岸三维水沙运动的间断有限元模型研究》文中进行了进一步梳理三维数学模型是解决复杂条件下水沙运动的重要手段之一，在河口海岸工程泥沙问题的研究中发挥着越来越重要的作用。本文基于间断有限元方法建立了河口海岸三维水沙数学模型，数模结果与典型问题的解析解和实验数据进行了比较，证明了所建模型的可靠性和合理性。进一步利用该模型对黄骅港海域水沙运动进行了模拟研究，分析了泥沙运动和航道淤积变化规律。本文的主要研究内容和结论如下：（1）基于新型数值方法—间断有限元方法，建立了波流共同作用下的三维水动力数学模型，在该模型中考虑了垂向变化的辐射应力、波浪破碎引起的水滚效应、波浪产生的附加紊动效应以及波流共同作用下的底部切应力。选取典型算例对所建模型进行了测试和验证，结果表明所建数学模型的水动力计算结果与解析解和实测结果吻合程度较好。（2）基于间断有限元方法求解对流扩散方程，并在模型中引入斜率限制器以抑制非物理振荡，增强模型的稳定性和捕捉间断浓度的能力，建立了具有二阶数值精度的波流共同作用下三维悬沙输移数值模型。模型针对不同波流动力条件，引入了纯流、纯波、波浪破碎影响以及波流共同作用等条件下的垂向扩散系数分布，并考虑了近底高含沙对水体紊动抑制的影响。利用大量经典解析解和水槽试验数据与模型模拟结果进行了比较，验证了所建模型的合理性。（3）黄骅港海域潮流泥沙过程观测资料以及大风天波浪过程与航道淤积实测数据与模型模拟结果的比较表明，所建模型可以合理描述现场海域水沙运动，可以应用于工程泥沙问题的研究。模型的多组分泥沙模式也可以合理描述航道沉积泥沙中值粒径的变化规律。（4）以黄骅港海域为例，利用建立的模型研究了粉沙质海岸在不同风级条件下水沙运动规律。结果表明，黄骅港海域在大风天气下出现强浪是形成近底高含沙水体的主要因素。在8级向岸大风作用下，航道两侧海床近底层会出现大范围的高含沙水体，而近底高含沙水体在航道内的不平衡输沙会对航道淤积造成重要影响。
陈超[9]2016年在《基于过程的沿岸输沙及地形演变平面二维数学模型研究》文中进行了进一步梳理沙质海岸具有丰富的自然资源和优美的风光,是人类生活的聚居地。近年来,人们对沙质海岸的开发利用日益频繁。人工建筑物的出现打破了沙质海岸原有的动力平衡,加剧了海岸地形的演变。沿岸输沙是影响沙质海岸长期地形演变的重要因素。因此,建立能合理地反映沿岸输沙分布特征的数学模型,研究人类活动影响下沙质海岸地形演变的规律具有重要意义。为了克服传统一线模型的不足,本文在提出具有横向分布悬移质沿岸输沙率公式、建立波浪与水动力实时耦合波生沿岸流数学模型的基础上,建立了非结构化网格海岸地形演变的二维数学模型,并应用于人工建筑物影响下沙质海岸沿岸输沙和地形演变规律的研究。具体的研究内容和结论如下:(1)基于能量原理建立了悬移质沿岸输沙公式,该公式可以描述沿岸输沙的横向分布。收集了大量观测数据率定公式中的能量传递系数。提出了破碎波能量传递系数与Dean数之间的关系。将公式的计算结果与野外观测数据进行比较,结果表明本文建立的公式能较合理地反映不同波浪条件下沿岸输沙的横向分布规律。(2)将本文建立的悬移质输沙公式沿破波带积分获得总沿岸输沙,收集了高质量的观测数据,对该公式以及工程中常用的总沿岸输沙公式进行比较评价。结果表明本文提出的公式、van Rijn公式和《港口与航道水文规范》公式的计算结果与实测数据具有较好的一致性。(3)将波浪模型SWAN和近岸流模型FVCOM进行实时耦合,建立了平面二维波生沿岸流数学模型。模型综合考虑了波面水滚、波浪引起的水平掺混和波流共存时底部切应力的影响。对水滚能量传递系数α和波浪引起的水平掺混公式中的经验系数λ进行敏感性分析,并基于数值实验的结果,给出了经验系数的推荐取值。收集了实验室和现场波生流的观测数据检验模型的合理性。结果表明,模型能较为合理地反映近岸波浪的传播变形以及沿岸流的分布规律。(4)基于有限体积法,建立了非结构化网格平面二维海岸地形演变数学模型。该模型由波浪模型、近岸流模型、泥沙输运模型和地形演变模型四部分组成。泥沙输运模型综合考虑了底坡对推移质输沙的影响、波浪破碎对悬移质输沙的影响和波浪上爬带沿岸输沙的作用。地形演变模型采用有限体积法求解泥沙的质量守恒方程。收集了防波堤影响下海岸地形演变的物模实验验证模型的合理性。结果表明,模型能较合理地描述防波堤周围的地形演变。(5)应用建立的海岸地形演变数学模型,研究了广东惠来电厂防波堤工程实施前后靖海湾的沿岸输沙和岸线演变规律。防波堤工程实施前,靖海湾湾顶海域的净沿岸输沙方向为自东向西,湾顶处于侵蚀状态。防波堤工程实施后,湾顶海域的净输沙方向变为自西向东,使得该区域出现了显著的泥沙淤积。卫星遥感图像与模拟结果的比较表明,模型较为合理地反映了靖海湾岸线演变的规律。
王效远[10]2009年在《考虑波浪破碎影响的近岸三维泥沙数学模型》文中指出近岸泥沙运动是造成岸滩演变、航道淤积的主要原因。在三维泥沙数学模型中合理描述破碎与不破碎波浪以及潮流共同作用下的泥沙运动,对于岸滩演变与航道淤积问题的研究具有重要意义。本文通过对泥沙扩散系数和垂向分布规律的研究,建立了考虑波浪破碎影响的波流共同作用三维泥沙数学模型,并利用该模型对黄骅港航道淤积问题进行了研究。本文的具体研究内容和结论如下:首先,根据对破碎波作用下扩散系数的分析,建立了全水深的悬沙垂线分布模型。利用水槽实验数据验证了破碎波作用下悬沙分布模型的合理性,证明了模型破碎增强系数的合理性。其次,利用EFDC模型波流共同作用下悬沙分布模型对水槽实验进行了模拟。模拟与实验结果比较表明,多组分泥沙模型能很好地模拟泥沙运动。在以上工作的基础上,通过修正泥沙扩散系数的方法,建立了考虑波浪破碎影响的波流共同作用下近岸泥沙运动的三维数学模型。最后,利用所建立的模型对黄骅港外航道整治工程前后航道淤积问题进行了模拟分析。结果表明,所建模型反映了整治工程实施前后外航道沿程淤积、泥沙中值粒径和淤积物组成的变化规律。利用模拟结果比较了考虑与不考虑破碎波作用时近岸带悬沙分布,证明了波浪破碎对悬沙分布有着重要影响。
参考文献：
[1]. 海岸泥沙输移的数值模拟及其应用[D]. 温洪涌. 大连理工大学. 2008
[2]. 蜿蜒河流演变动力过程的研究[D]. 许栋. 天津大学. 2008
[3]. 长江口水文、泥沙过程与圆桩冲刷的数值模拟[D]. 赵恩宝. 中国科学院研究生院（海洋研究所）. 2008
[4]. 黄骅港海域泥沙运动的三维数学模拟[D]. 张丽珍. 天津大学. 2008
[5]. 分离鳃的水沙流场数值分析及试验研究[D]. 陶洪飞. 新疆农业大学. 2014
[6]. ECOMSED模型动边界处理及其应用[D]. 张艳飞. 天津大学. 2008
[7]. 近岸水流和泥沙的数值模拟及其应用[D]. 邹山. 南京水利科学研究院. 2000
[8]. 河口海岸三维水沙运动的间断有限元模型研究[D]. 赵张益. 天津大学. 2013
[9]. 基于过程的沿岸输沙及地形演变平面二维数学模型研究[D]. 陈超. 天津大学. 2016
[10]. 考虑波浪破碎影响的近岸三维泥沙数学模型[D]. 王效远. 天津大学. 2009