（轮机工程专业论文）感潮河段流场计算模型的研究与应用.pdf

、j。 s t u d ya n da p p l i c a t i o no nt h em o d e lo fs i m u l a t i o no f t i d a l f l o w i nt i d a lw a t e r w a y at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y x uc h a n g a n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u w a n q i n g j u n e2 0 1 1 6洲6 3川698舢舢y 丫咻0 弋“， 、小， 上“ ， t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：壁塑塑基逋扬盐篡搓型数婴究皇廛旦：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：辱姿船 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密日( 请在以上方框内打“，) 论文作者躲稼彦噎导师繇苏确 日期：加年7 月z7 日 ，娃， 、 f l _；，十罗 靠- j 中文摘要 摘要 当今世界经济快速发展，水运市场同样迅猛发展，而内河则是水运领域的重 要组成部分。今天越来越多的船只在内河中穿梭，尤其在感潮河段船舶密度更大， 甚至有些码头也建立在河口的感潮河段。这无疑会给感潮河段带来严重的污染问 题，而污染物预报显得尤为关键，污染物预报的核心就是流场，流场是预报系统 的动力场。针对以往感潮河段流场计算模型移植性不足，即流场计算方法只适用 于特定的区域。研究感潮河段流场计算的模型显得尤为重要，同样具有较好理论 和使用价值，为内河感潮河段的溢油预报提供更加精确地动力基础。 研究的核心内容：流场计算的模型是在p o m 的基础上建立的，而p o m 计算 的流场是根据边界条件的变化而变化的，只有提供精确的边界条件才可以准确的 预报河段的流场。因此，本文分别研究上、下河段边界条件，感潮河段下边界一 般靠近河口，如果有边界条件就可以直接输入模型，如果没有则采用网格嵌套， 即把下边界包括在一个比较大的模型中，而大区域则有可以覆盖较好的边界条件， 通过大区域的计算，修改程序，可以在边界处提供边界条件。为了提高精度，选 择两层网格嵌套。对于河段的上边界则要考虑更多的影响因素，不仅要考虑下游 潮汐的影响，而且还要考虑上游的径流量，因此本文采用双向波演算模型为上边 界提供边界条件，双向波演算模型是计算在某一断面处在径流量和潮波共同作用 下的水位变化，这种方法是结合动力学数学物理方程建立的，经过严格推导验证 的，具有较可靠的理论依据。本文将上下边界条件嵌入p o m 模型进行计算，并计 算了( 汛期、年平均流量、枯水期) 三种流量下的流场，通过比较分析计算的结 果，可以更清晰地看出潮汐与径流的相互作用机理。本文以大辽河为例进行了验 证计算，得出的结果经分析本符合模型的理论预测，因此更加验证了本模型的合 理性。 此模型不受边界条件以及地域的限制，具有较好的可移植性，在缺少直接边 界条件的情况下仍然可以很好的计算出感潮河段的流场信息，这为各种污染预报 系统提供动力基础，可以对各种污染事故及时做出应急反应。 关键词：感潮河段；模型研究；流场计算；内河 疋。量。争 丫b，辱， 、 b ，- j 英文摘要 a b s t r a c t n o w a y st h ew o r l de c o n o m yd e v e l o pq u i c k l y ，t h ew a t e rc a r r i a g em a r k e t sa r e d e v e o l p e de q u a l l yf a s t , b u ti n l a n dr i v e ri st h ei m p o r t a n tc o m p o s i t i o no ft h ew a t e r c a r r i a g em a r k e t n o w d a y sm o r ea n dm o r eb o a t sa n ds h i p ss h u t t l ei nt h ei n l a n dr i v e r , p a r t i c u l a r l ya tt h et i d es e g m e n ta n dt h es h i pd e n s i t y i sl a r g e r , e v e ns o m ej e t t yw e r ea l s o b u i l ti nt h et i d er i v e ro fr i v e rm o u t h t h i su n d o u b t e d l yw i l lb r i n gt i d er i v e rs e r i o u s p o l l u t i o nq u e s t i o n ，s ot h ep o l l u t a n tf o r e c a s ti sv e r yi m p o r t a n t , t h ek e yo fp o l l u t a n t f o r e c a s ti st i d a lf l o w b e c a u s et h ef o r m e rm o d e l o fs i m u l a t i o no ft i d a lf l o wi nt i d a l w a t e r w a yc a nn o tb eu s e df o ro t h e rr i v e r ，t h a ti st os a yt h ef o r m e ri so n l yf o rt h es p e c i a l a r e & t h es t u d yo nt h em o d e lo fs i m u l a t i o no ft i d a lf l o wi nw a t e r w a yi sn e c e s s a r y , w h i mh a v eb e t t e rt h e o r ya n dv a l u ei nu s e ，a n dc a np r o v i d et h ef o r e c a s tm o d e lm o r e a c c u r a t er e s u l t t h em a i nc o n t e n to fs t u d y ：m o d e lo fs i m u l a t i o no ft i d a lf l o wi sb a s e do np o m a n d t h ef l o wo fp o mi sc h a n g e dw i t hb o u n d a r yc o n d i t i o n ，o n l yt h ea c c u r a t e l yb o u n d a r yc a l l m a d et h er e l i a b l ef o r e c a s t t h u s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eu pa n dd o w n b o u n d a r yc o n d i t i o n r e s p e c t i v e l y , g e n e r a l l yt h ed o w nb o u n d a r yi s n e a rt h er i v e rm o u t h ，i ft h e r eh a st h e b o u n d a r yc o n d i t i o n ，d i r e c t l yp u ti n t ot h em o d e l ，i fn o tt a k et h em u l t i p l e - g r i dn e s t i n g ，t h a t i t h ed o w nb o u n d a r yi s l a yi n t h eb i gg r i d ，w h i c hh a sb e t t e rb o u n d a r yc o n d i t i o n b y c r e a t i n gt h el a r g es c a l ec o m p u t i n gg r i d ，c h a n g i n gt h ep r o g r a m ，t h ed y n a m i cp a r a m e t e r w e r ep u ti n t ot h eb o u n d a r y i no r d e rt oi n c r e a s et h ea c c u r a c yc l a s s ，t h ed o u b l e g r d n e s t i n gi st a k e nt ou pb o u n d a r y , t h e r ea r em o r ef a c t o r s ，n o to n l yt h eo c e a nt i d e s ，b u ta l s o t h er u n o f fo ft h er i v e r t h eb i d i r e c t i o n a ls t a g er o u t i n gm o d e lc a nc o m p u t et h eu p b o u n d a r yc o n d i t i o n t h eb i - d i r e c t i o n a ls t a g er o u t i n gm o d e lc a l lc a l c a l a t et h ew a t e rl e v e l ， w h i c hi n f l u e n c e db yt h ed o w n s t r e a mt i d a lf l o wa n du p s t r e a mf l o w ，t h i sm o d e li sb a s e d o nt h ep h y s i c a lb a s i s ，a n ds t r i c t l yt e s t i f i e da c a d e m i c a l l y i nt h i st h e s i s ，t h eu pa n dd o w n b o u n d a r yc o n d i t i o nw e r ei n p u tt h eg e n e r a lm o d e lb a s e do np o m ，a n dt h ef l o wo f d i f f e r e n tr u n o f fw e r ec a l c a l t e d f r o mt h er e s u l t ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nr u n o f fa n dt i d a l f l o wa r em o r ec l e a r a sa ne x a m p l e ，t h ed al i a oh ea l s oc a l c u l a t e da n dv e r i f i e d ，a n dt h e r e s u l th a si d e n t i f i e dt h er e a s o n a b l e n e s so ft h ef l o wm o d e l t l l i sm o d e li sn o tl i m i t e db yt h eb o u n d a r yc o n d i t i o na sw e l la st h er e g i o n ，a n dh a s ab e t t e rt r a n s p l a n t a b l e e v e nw i t h o u tt h ed i r e c tb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h em o d e lc a na l s o 笺， 弋、 t_ k p 矗l 毒 英文摘要 c a l c l a t e x lt h et i d a lf l o wo fw a t e r w a y , a n dp r o v i d e st h ep o w e rf o u n d a t i o nf o ra l lk i n d so f p o l l u t i o nf o r e c a s ts y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sa ne m e r g e n c yr e a c t i o nf o rt h ea c c i d e n t so f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n k e yw o r d s ：t i d i a lw a t e r w a y ；m o d e l ss t u d y ；s i m u l a t i o no ff l o w ；w a t e r w a y 0， 允1 l f 吣 喜 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 研究背景- 1 1 1 1 内河污染情况1 1 1 2 污染物的危害：2 1 2 研究现状及意义3 1 3 论文的主要工作5 第2 章三维水动力模型7 2 1 笛卡尔坐标系下基本方程组7 2 2 仃坐标系下三维数学模型9 2 2 1 坐标变换1o 2 2 2 三维基本方程的转换盯坐标系下连续方程推导1 1 2 3 边界条件与初始条件1 4 2 3 1 边界条件1 4 2 3 2 初始条件1 4 2 4 三维数学模型的计算。1 5 2 4 1 内外模式的衔接15 2 4 2 网格的空间划分。1 5 2 4 3 时间步长限制17 第3 章网格嵌套技术：18 3 1 网格嵌套：l8 3 1 1 应用及现状：1 8 3 1 2 方法特点1 9 3 1 3 嵌套过程1 9 3 2 边界条件的处理2 1 3 3 模式的应用2 3 第4 章双向波演算模型2 9 4 1 感潮河段水位预报方法浅析2 9 4 1 1 感潮河段水位预报的方法2 9 4 1 2 研究进展3 0 4 1 3 水位预报实时修正方法3l 4 2 感潮河段水位演算模型研究。3 3 4 2 1 水位演算模型3 4 4 2 2 双向波演算模型3 5 、l， 目录 4 3 模型的理论基础分析与证明3 7 4 3 1 波体运动扩散波方程3 7 4 3 2 扩散波方程差分解3 8 4 3 3 双向波模型与扩散波方程差分解的一致性3 9 4 3 4 模型参数实时修正4 0 4 4 双向波演算模型的应用4 2 第5 章模型在辽河口的应用4 9 5 1 大辽河口岸线与滩槽平面形态4 9 5 1 1 大辽河的自然情况4 9 5 1 2 辽河的岸线特点5 0 5 2 大辽河营口段边界条件的计算5 1 5 2 1 河段的选取5 l 5 2 2 网格划分与嵌套应用5 2 5 2 3 双向波水位演算5 9 5 3 模型在大辽河溢油预报当中应用6 1 5 3 1 河段流场模拟结果6 1 5 3 2 河段溢油预报的结果6 8 第6 章结论与展望8 2 6 1 结论8 2 6 2 展望8 3 参考文献8 4 致谢9 0 研究生履历9 1 1lrj守 感潮河段流场计算模型的研究与应用 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 内河污染情况 迄今为止我国的河流资源十分充足，河流众多、大小河流共有1 8 0 0 多条，河 流长度超过l o o k m 的河流就有6 0 多条【2 5 1 。我国海岸线数长达数千里，沿海岸的 较大河流有鸭绿江、辽河、海河、滦河、黄河、长江、钱塘江、闽江、珠江、韩 江和南渡江等。在我国的航运事业已历经数千年，早在战国时期就开凿了著名的 连接太湖和长江的肯溪，以及秦朝的灵渠、还有闻名世界的南北大运河【3 】【4 1 新中国 成立以来，我国内河航运事业得到空前的发展与繁荣，特别是在感潮河段及河口， 发展更为迅猛【l 】，感潮河段有较厚的经济实力、丰富的资源、充沛的水源、交通方 便等较好的综合优势。 最近几十年，我国河流污染状况不容忽视，甚至到了频频告急的地步，其程 度令人担忧。孕育了中华几千年文明的历史古河黄河、长江流域及东北平原的三 江流域、甚至华南地区的珠江流域，都遭到了严重的污染事件，其真实数据令人 触目惊心。内河环境污染不仅威胁着人民群众的生命及财产安全，还在很大程度 上由于环境原因制约了各地的经济和社会发展，从而引起了各级政府的高度重视， 它们纷纷投入大量的人力、物力、财力进行大规模全方位治理。近3 0 年来国家及 各地政府累计投入江河湖泊治理污染的经费超过千亿元，但是效果却不是十分理 想，这不能不引起我们深思。在污染严重的地区，国家还成立了专门机构负责污 染治理，像云南的滇池管理局和淮河的淮河治理委员会等。但是这些机构的成立 也没有对河流污染治理起到太大的作用，考虑到地方经济利益、政治体制、发展 方式等个种原因的严重制约，这一切很难从根本上解决【6 1 。 这样的问题在辽宁省也很严重。其中大辽河、浑河、太子河、大凌河及鸭绿 江是辽宁的几条主要的河流。经辽宁省环境监测中心的观测表明，这6 条较大河流 中问题相当突出，除鸭绿江水质环境仍然保持良好外，其他5 条河均有不同程度的 污染。 第1 章绪论 1 1 2 污染物的危害 尤其是河口以及感潮河段，不但承受着上游带来的各种污染物的影响，还承 受着码头密集船舶的各种污染，而船舶带来的污染中，最厉害的应该是溢油污染 问题，石油污染是一种非常复杂的问题，溢油进入水体后，受浪、风、流、光照、 气温、水温和生物活动等各种环境因素作用下将经历十分复杂的物理、化学以及 生物变化过程。而且石油对生物物种的危害也非常厉害，石油入水后，油膜会逐 渐减弱太阳辐射透入水体的能量，进而影响水生植物的光合作用。油膜使鱼类的 皮毛和海鸟羽毛结块，溶解其中的油脂物质，使它们失去游泳、保温和飞行的能 力。石油污染物会干扰生物的摄食、生长、繁殖、行为和生物的趋化性等能力。 受石油严重污染的区域地区还会导致个别生物种群密度和分布的变化，从而改变 群落的种类组成。高浓度石油会降低微型藻类的固氮能力阻碍其生长，最终导致 其死亡。沉降于潮间带和浅水的石油，还可以便一些海藻孢子、动物幼虫失去适 宜的固着基质或使其成体降低固着能力。石油还会渗入某些植物体内，改变细胞 的渗透性、浓度等生理机能，严重的油污染甚至会导致这些潮间带和盐沼植物的 死亡【6 】。石油对水体生物的化学毒性，依据油的种类和成分不同一般不同。通常， 炼制油的毒性高于原油，低分子烃的毒性大于高分子烃，在各种烃类中，其毒性 一般按芳香烃、烯烃、环烃、链烃的顺序而依次下降。石油烃对水体生物的毒害， 主要是破坏细胞膜的正常结构和透性，进一步干扰生物体的酶系，进而影响生物 体的正常生理、生化等过程。 石油污染的治理、污染的防治，除控制污染源，防止意外事故发生外，可通 过围油栏、吸收材料、消油剂等方法进行处理。清理石油泄漏的第一步是及时切 断污染源，阻止浮油区继续扩大，第二步是通过物理方法清除海面较厚的石油， 比如用抽吸机吸油，用水栅、撇油器刮油，用吸油毡吸附原油等。这一步只能粗 略地回收部分较厚的油污，减少石油泄漏的部分损失；而并不能彻底回收石油清 洁水面。而第三步，喷洒化学消油剂，通过物理化学反应，促进较薄石油的分解 或沉降，形成能消散乳化于水中的微小球状物。但利用化学试剂的弊端在于可能 引起二次污染，只能用于清理少量较薄的油污。 石油污染由于其持久特性，回收是首选的手段，而且是主要手段，而溢油回 收离不开对其漂移轨迹的预测，在感潮河段，油层受到风，潮汐，径流的共同作 2 tll。，； 爹 譬 感潮河段流场计算模型的研究与应用 用，其轨迹很难预测，这就需要一个比较准确的模型来预测油层的漂移轨迹。其 中感潮河段流场的计算变得尤为重要，它是整个模型的动力基础。针对不同的河 流，其资料和条件会发生很大的变化，而流场模型的研究就有一定的实用意义。 1 2 研究现状及意义 河口和感潮河段具有其特地理特性，不但河道的形状、地形复杂，其水流还 受到径流与潮汐的双重作用。感潮河段流场的计算与河口地区河床的演变进化、 防洪减灾、环境保护等各种问题密切联系7 1 1 1 。近年来，随着沿海地区经济规模的 不断扩大发展，感潮段河流的经济与环境的矛盾问题日益突出，尤其是码头港口 地区的溢油污染问题尤其突出，在此环境下而径流和潮汐相互作用的水动力特性 的研究显得越来越重要。 而感潮河段的溢油模型的研究是随着感潮河段的水动力特性的发展而发展的， 主要有以下研究成果： ( 1 ) 河海大学刘生宝的硕士论文基于p o m 的长江感潮河段溢油数值模拟 研究，此文对长江南京段感潮河段水域溢油行为进行了模拟。该文选用的是三 维水流的数值模型，以p o m 模型为基础通过坐标转换导出应用模型，此模型以长 江南京段为例实现了水流的数值模拟；在潮流数值结果的基础上又对长江南京段 的溢油实现动态模拟。潮流场的计算是溢油预报模型的核心部分，该论文流场的 计算所采用的边界条件是，用1 9 7 9 年1 月份梅子洲与三江口两个潮位测量站的实 际潮位过程资料作南京河段流场模型计算的上、下游的边界条件，模型模拟时间 段为1 月1 4 日8 ：0 0 1 7 日8 ：0 0 ( 大潮) 和2 1 日6 ：0 0 2 4 日6 ：0 0 ( d , 潮) 的一个完整涨 落潮过程。该法所得结果合理、可靠，对感潮河段段溢油突发事故的处理和决策 等具有一定的理论价值和现实意义【1 2 】。虽然此模型很好的模拟了南京河段的流场 并完成了溢油预报模型，但是所采用的边界条件是历史的实测数据，对实测资料 的依赖性太大，模型的流场性不强。 ( 2 ) 刘晓波等人的基于p o m 模式的感潮河段三维水动力模拟，随着对 工程数据要求的不断提高，对感潮河段三维水动力的准确模拟的要求也逐渐增加。 该论文基于p o m 模式，利用明渠垂向流速分布的经验公式分析了三种紊动黏性系 数计算方法对流速的影响【1 3 】；该论文在长江太仓河段建立的三维数学模型，其结 3 第1 章绪论 果与历史数据拟合较好，论文也是同样依赖现有的历史数据，以p o m 为基础计算 出感潮河段的潮流场，同样它的适用范围有限。 ( 3 ) 邵宇阳等人的感潮河段流场计算论文利用海岸工程水动力学数学模 型( m o c o e ) 对长江感潮河段的流场进行计算，该模型是由河海大学海岸及海洋工 程研究所和河海大学海洋环境实验室在环境海洋水动力学模型的基础上增加了多 个计算模块而研制的【1 4 1 ，是一个多功能、高集成的、完整的海岸工程水动力模块 构成的计算程序，其功能主要是模拟水体系统三维流场、污染物输运( 包括泥沙的 输运、淡水入流、生态过程。其模拟范围为：河口、水库、湖泊、湿地以及自近 岸到陆架的海域【l4 1 。模型可以同时兼顾风、浪、潮、径流的影响，计算时同时考 虑同步布设水工建筑物。该文首次将该模型用于感潮河段的流场计算，所得计算 结果表明该模型可以很好地模拟感潮河段的流场，从而扩大了模型的应用范围。 ( 4 ) 姜卫星的论文黄浦江溢油事故的数值模拟研究研究内容包括以下几 点：1 ) 利用m i k e 2 1 h d 模块将区域划分为网格间距为1 5 m 1 5 m 精细网格并应用 于黄浦江二维水动力模型，用1 9 7 1 、1 9 8 4 、1 9 9 9 等若干年的实测资料来验证模型 的适用性、可靠性。2 ) 借助m i k e2 1s a 模块建立了黄浦江二维溢油预报模型，应 用了成熟的“油粒子 模型模拟风化、乳化、沉降、输移及热量迁移等过程。3 ) 此模型主要模拟实验室物理模型试验的水动力以及溢油过程，深入研究狭长型感 潮河道溢油特点及其过程，确定实际河道溢油模型的各种参数值，为模型参数的 取值提供参照。该模型最终通过对“8 5 溢油事故的重现，验证了模型的可靠 性。4 ) 考虑油膜长度、上下游影响范围、漂移速度等，详细认真地研究了风场、 潮型、径流、溢油量、水温、溢油形式等因素对河道溢油的影响。研究发现河道 形态和风场是影响油膜在河道中漂移速度和影响范围的决定性因素【l 5 1 。5 ) 通过对 各种情形事故场景的分析，应用所建立的溢油模型对不同上游径流量、不同气象 条件、不同潮汐类型和不同事故发生地点的情况进行模拟分析，建立了预案速查 手册。一旦发生事故，可以将发生事故与假象场景作比较，找到相似的场景，调 取相应计算的结果，用于决策支持。 ( 5 ) 路川藤等人的长江口不同径流量对潮波传播的影响，采用在河口地 区常用的a d i 方法建立数学模型，模拟长江口潮波传播过程。纵向分析了涨落潮 历时、潮差、潮位过程线和高低中潮位的变化规律【1 6 1 。分析结果显示：长江口潮 4 0 夸 ? 0 感潮河段流场计算模型的研究与应用 波季节性变化比较明显，并且与径流量关系密切，即径流量越大，在其影响范围 内潮差就越小，涨落潮历时比越小，潮波变形就越严重。横向则分析了河道南北 两岸的潮差变化，结果显示：北岸潮差比南岸潮差大5 - 7 e m ，径流量变化基本不 影响长江口横向潮差南岸小于北岸的趋势。 在阅读了前人大量文献的基础上，重新细致深入地对感潮河段进行了研究发 现，在现有的感潮河段预报模型中，都是针对某一特定河流研究的，或者是特定 区域，而且现有资料的依赖性很强，在资料缺乏的情况下就不能很好的达到预期 的目标。因此研究流场计算的模型就迫在眉睫，而流场的计算又是模型的核心， 因此流场模型能否通用决定着预报模型的适用范围，针对这一问题。本文提出了 可行的方案，此方案可以很好的解决感潮河段模型的问题，具有一定的理论价值 和实用价值。 ， 1 3 论文的主要工作 1r 模拟数值解 i 模型的应用 图1 1 论文采用的技术路线 f i g 1 1t e c h n i c a lr o u t eo ft h ep a p e r 第1 章绪论 本文在前人对内河感潮河段研究的基础上，以p o m 为基础，推导出了新坐标 系下的方程组，此方程组可以很好地拟合地形。在此基础上，采用网格嵌套技术 得出模型的下边界，采用双向波演算模型计算出模型的上边界，基于p o m 完成内 河感潮河段流场计算模型的研究，采用的技术路线如图1 1 所示。 全文共分为五章，第一章介绍了感潮河段研究的背景以及研究现状，并提出 了前人研究模型存在的问题，进而确定了本文的主要工作及研究方向。第二章介 绍了三维水动力数学模型，本文基于三维水动力p o m 模式，建立了感潮河段三维 流场计算模型。第三章介绍的网格嵌套及其计算结果，这是本文采用的方法之一， 也是本文的主要内容之一。第四章双向波演算模型的应用，这是论文的核心内容， 是解决径流问题的关键。第五章模型在辽河口的应用，验证本模型的可靠性、实 用性。第六章结论与展望，对论文进行总结，并提出以后可能的研究方向。 6 冬 ： ； 感潮河段流场计算模型的研究与应用 第2 章三维水动力模型 正确模拟水动力情况是计算水体中各种物质迁移运动的前提条件与动力基础， 由于感潮河段的特殊性质，即同时受海洋潮汐以及内河径流作用，河流的流动情况 就会比较复杂不是简单的恒定流，因此流速、流量等因素变化比较大。目前对水 动力的研究大多数仅限制于一维和二维的范围内 1 7 - 1 8 】。在实际水体中水流流动具 有三维的特性，特别是当地面起伏比较大时。二维平面只能从一定程度上代表水 体的规律，如果考虑地形起伏，边界比较复杂的情况，其适应性就会很差。这时 三维水体的数学模型就显示出其准确性的优势，再加上现在对数据精度的要求越 来越高，三维水体的模拟的研究与应用势在必行。因此，很多研究机构、大学等 展开了三维水体模拟的研究，并取得了可喜的成绩。尤其以p o m 模型在三维流体方 面应用最广。 我们常用的三维水体模型就是由m e l l o r 等人开发的三维水体海洋模型简称 p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) ，p o m 模型由于其独特的优越性在水动力学界得到了 广泛应用并取得了理想的实验结果【1 9 2 0 】，在使用的过程中，由于计算的需要， 不同的机构根据实际需要做出了相应的改进，这使p o m 得到了进一步的发展，刘 浩等人【2 1 1 根据p o m 的特点增加了动边界技术，这一改进使p o m 的模拟真实性得 到了大幅提高，而钱永甫等人【2 2 】针对p o m 对地形起伏的适应性问题做了改进。紊 动黏性系数是三维数值模拟的关键，它决定着整个模型流速大小以及垂向分层等 关键数据。本文的基本模型采用p o m 模式，同时根据论文的实际计算功能以及内 河河段的特点，建立了感潮河段流场计算模型。并将模型应用到大辽河区域，模 拟的结果表明，在p o m 的基础上建立的流场计算模型比较符合实际情况，能够很 好的反映出感潮河段的基本水文信息，包括流速流量 2 6 】。 本文是基于p o m 模式建立的适用于感潮河段的模型，因此本章节在基本流体 力学方程的基础上通过坐标系转化得出p o m 基本方程组。并将其应用到论文三维 水体的模拟。 2 1 笛卡尔坐标系下基本方程组 连续方程： 7 第2 章三维水动力模型 竽+ 娶+ 孚：o ( 2 1 ) 仍。哕ou z o 动量方程： 等也等+ 篑+ 等一形一吉妾+ 鼍+ 象+ 鲁眨2 ， 等也象批筹+ 甄筹+ 。一吉妻+ 鲁+ 象+ 鲁亿3 ， 土罢：- g ( 2 4 一j 一2 l 么4 ， 温度和盐度输运方程： 鼍+ 鼍+ 象+ 嗳= 杀b 鼍 + 丢b 嚣) + 丢l 割一西a r c 2 5 ， 鼍+ 鼍+ 豪+ 鼍= 杀p 鼍) + 杀b 盟a y o 、1 ) + 毒b 鼍 c 2 以上的方程中：r o 为位势温度；，v o ，分别代表笛卡尔坐标系中，y 。， z 。坐标方向相应的流速分量；p 为压强；g 为重力加速度；s 。为盐度；f 为柯氏 力系数；r 为太阳波的照射强度；q ，d ，d ：代表水平x 方向、y 方向、垂直z 方向的扩散系数。 湍流闭合方程：在p o m 方程中，湍流闭合方程是由m e l l o r 和y a m a d a 共同开 发开发的，因此以他们的名字命名为m e l l o r - y a m a d a 方程。方程的垂向湍流扩散系 数的求解采用2 5 阶湍流闭合模型。解出的湍流动能量输运方程为： 等+ 砜篆+ 篆+ 善= 丢b 善) + 砜瞪 2 + 陲) 2 + 石2 9 如考一焉+ 杀b 訇+ 丢b 篆) q 7 方程中的各项分别表示湍流动能切变产生项、耗散项、浮力产生项、水平扩 散项以及垂向扩散项。方程中，a 是9 2 ，9 2 ，水平扩散系数；k 日，k 是9 2 ，q 2 ， 扩散项系数； 8 7 感潮河段流场计算模型的研究与应用 9 2 = ，要0 2 + v 2 ) 是湍流方程，其中l 为混合长度，其计算表达式如下： 等+ 等+ 篆+ 善= 毒k 剥+ 骂仁晦 2 + 睡) 2 + 岛丢封一i 9 3 矿+ 丢b 訇+ 杀卜篆) q 8 在i i t ：d - 程中： 形是壁近似函数( w a l lp r o x i m i t yf u n c t i o n ) ，表达式为： f f = l + e 2 ( 毫- ) ，k 为v 。n k a n 常数c 2 9 ) 式中：亿) = 皓一z ) _ + + z ) e 。，b 。邑为经验常数 k = q l s i i ，k = q l s 胃，k 叮= q l s q ( 2 1 0 ) s 肘，s 日，s 。为稳定函数。 2 2 仃坐标系下三维数学模型 本文选用的p o m 模式的是仃坐标系，由于不同的坐标系对计算结果有一定的 影响，因此m e l l o r 等人【2 8 】对z 坐标以及o r 坐标经行了对比分析，发现两种坐标系 当粘度比较大时计算结果没有太明显的区别，这时不需要进行坐标转换。但是， x = y 铂；t = t o i 盯= 警 ( 2 - 1 1 ) 9 第2 章三维水动力模型 t l o = 0 图2 1 仃坐标系示意图 f i g 2 1t h es i g m ao f 仃c o o r d i n a t es y s t e m 其中，、y o 和白为笛卡尔坐标系下的空间自变量，气为时间自变量；而x 、 y 、z 则是仃坐标系下的三个空间自变量；t 是盯坐标系下的时间自变量；r 表示 水面水位，从基准面到实际水面的高度；d 为总水深，在自由水面处取z o = 0 ，对 应的取仃= 0 ，水底面处取仃= 。 2 2 1 坐标变换 在仃坐标系中t 为设定的时间变量，三维方向坐标取x ，y ，仃对应量替换就 可推出如下两坐标系的转化关系 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 ： 逆变为： t = t o 工2 x o y = y o ( 2 1 2 ) 仃= 硒z 磊o - 万r l ( t o 祗, x o i , y o 而) 妻曼。矗+叩，+叩：a。+叩 c 2 - 3 ， l o 感潮河段流场计算模型的研究与应用 由关系式： r 塞 i 咖i 2 l 出j m 钟。 舐 西。 砂 钟o 8 z 西。 望= 堡+ 笪一o z o 和p i i 亟：塑 1 1 - 仃望一= 一十洲= 一f 一 o xa x o x o x。缸缸 舐oo z o 0 xo x呶 最终解出微分变换关系： 堡：望4 i - 盟f ，塑+ 仃丝1 一= = 一一i 一- f t i a f a f oa z ola fa f a f 9 x a f 勿 宅f 一- 舐o a f 一j - 砂o a dj a 工j ：j o d1 如1 堡：堡堕：d 1 塑 一= 一- = j o c t o z oa c to z o 8 f 8 f 、a fi8 n 8 d 、 a f a f o da c tlo t o t a f8 f 、8 f ar la d 、 j 9 x a x o da c rla 工 a x 笪：堡+ 上塑f 塑- i 仃丝1 一= = 一1 一一l 一】一i 8 ya y o d8 0 8 y 8 y ) 8 f 8 f 一21 1 一 d 仃 o z o 盟：塑一上竺f ，盟 1 - 盯丝1 一= 一一l 一【，一l a f o a zd9 c rl8 t a f ，j a f8 f 一= - - 一一 o x o o x 8 f8 f 一= 一一 o y o 砂 8 ft8 f _ _ _ _ _ 一= 一一 a z o da 仃 ( 2 1 4 ) a r a r 8 d a d 8 t o 8 t a t o a t a r la r la d e d - = 一2 _ ，- 2 - o x oo x 如o o x a ，7 a r l o do d a y oa y a y o 砂 ( 2 1 5 ) 2 2 2 三维基本方程的转换及盯坐标系下连续方程推导 仃坐标系下连续方程推导 按上述的关系式，笛卡尔方程中的项表示为： 丝：丝一上型f ，塑+ 仃d - 望、1 一= 一一l 一- 1 p t 1 0 x o 0 xda 盯l 缸 叙 竺：竺一三竺f 塑+ 仃望1 一= 一一l 一1 f ，一l a y o a y d a 盯l 砂砂 ( 2 1 6 a ) ( 2 1 6 b ) 出出咖出 i、卜矿iiiiijiinrj 新一缸一砂一赴一旦饥鱼饥旦饥鱼饥 衍一旦旦钯 叩一x 吁一y卸一戤却一砂 ，-， 笪堡 丁t 如一缸扭一砂 仃 盯 + + 卸百卸一砂 f 一盯 f 一盯 a a a a 。一d 。一d 第2 章三维水动力模型 盟= 三盟 ( 2 1 6 c ) 0 z o da 仃 由式( 2 1 4 ) 得： 等2 毒跏b 和睁和陋l a y o ? 剿a y 。 瑟o d a 盯【- l 国。 研oj l 缸。舐o o 川 ，o ，7 、 = 土d 杀p + ( 塑o t + 仃望o t ) + u ( 罢+ 仃望a x ) + 吐害+ 仃等) i a 仃i l l 缸i 咖砂川 将上述各式代入( 2 1 ) 可得： 型一上型f 挈+ 仃丝1 + 竺一上竺f 塑+ 盯望1 + 一l _ 二+ 仃l + 一i 二+ 盯一l + i da 盯l 叙 研a y da 仃l 砂 ，砂j、 1 ( 2 1 8 ) 上i 翌+ 望+ 塑f 塑+ 盯望1 + u 丝+ 型f 塑+ 仃丝1 + y 望i ：o da 仃o t a 仃l 缸缸 缸 a 仃l 砂砂砂l 化简整理后可得： d a - u + d 竺+ 坚+ 望+ 【，丝+ y 丝：0 。 苏 ? a 仃乱 舐 a y ( 2 1 9 ) 丝+ 型+ 坐+ 塑：0 一+ 一+ 一+ 0 28 x a y a 仃o t 式( 2 1 9 ) 即为盯坐标系下的连续方程。 仃坐标系下动量方程 将笛卡尔坐标系中x 方向的动量按( 2 2 ) 变换，其中加速度项可表示为： 型+ 拦+ 矿型+ 琢型：一o u 一三型陋+ 仃驾+ a d 一! 型侔+ 盯智i 醌氐豌”匈 ada o - l a a