波—流共同作用下长江口二维悬沙数值模拟.doc

波流共同作用下长江口二维悬沙数值模拟【摘要】：本文建立了一个用于波流共同作用下长江口平面二维悬沙计算的数值模型系统，主要由四部分组成，即考虑风、浪、潮、径流的二维复合流场模型、SWAN海浪模型、波流相互作用的底边界层模型以及二维悬沙输运模型。采用三个不同大小的区域进行嵌套计算，三个计算区域分别为东中国海区域、长江口杭州湾区域和长江口区域。模型系统采用广义曲线坐标系下的形式，使用高精度的自适应网格拟合复杂岸界。复合流场学模型中考虑了波浪辐射应力的作用，底摩擦由波流相互作用边界层模型提供。为了较高精度的模拟天文潮，在开边界加上了七个主要分潮。台风天气下，在东中国海区域计算由风产生的水位变化，插值到长江口杭州湾区域的外海开边界上作为余水位，这样就同时考虑了局地风和非局地风的影响。悬沙输运模型利用切应力方法来确定对流扩散方程中的泥沙源函数，其中的临界起动速度利用经典的泥沙起动流速公式前面增加一个局地系数得到，这个系数能反映河床底质结构及固结程度，通过系列数值试验和实测资料的统计分析确定。计算中的底部剪切应力由波流边界层模型给出波流共同作用下的形式。泥沙颗粒絮凝沉降速度考虑了流速、盐度、含沙浓度的影响。将模型系统应用到长江口区域，经过了大量的实测资料的验证。其中复合流场模型中的天文潮利用众多测站的实测调和常数进行验证；波浪模型首先进行了水槽实验的检验，然后在台风过程中，进行了测站有效波高过程线的比较。复合流场模型的水位过程、流速过程，以及悬沙模型的含沙量过程则经过了洪、枯季及大、中、小潮的多个站点的实测过程验证。分析流场、波浪场以及正常和台风天气下的悬沙场的计算结果，表明该模型系统能合理地反映长江河口区域的水动力场和泥沙场的分布。【关键词】：长江口波-流共同作用悬沙数值模拟【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2003【分类号】：TV148【目录】：摘要4-7目录7-13图目录13-18表目录18-20符号索引20-31第一章绪论31-521研究意义312国内外研究现状分析31-452.1泥沙运动的一些基本概念332.2泥沙源函数的确定33-372.2.1平衡参考浓度方法33-342.2.2水流挟沙能力方法34-352.2.3底部剪切应力方法35-372.3泥沙的紊动扩散系数37-392.3.1与波浪有关的紊动扩散系数382.3.2与流有关的紊动扩散系数38-392.4波-流共同作用下的底部剪切应力39-402.5泥沙数值模型40-452.5.1国外泥沙数值模型的研究41-432.5.2国内泥沙数值模型的研究43-453长江口泥沙的数值模拟研究45-483.1长江口的观测工作及成果45-463.2泥沙数值模型在长江口的应用46-484存在的问题及不足48-495本文的研究内容49-52第二章数值模型系统的构建52-701二维复合流场模型53-611.1直角坐标系下的二维水动力方程组53-541.2广义曲线坐标系下的控制方程54-571.3流速逆变张量方程57-591.4交替方向隐式差分格式59-612波浪模型61-652.1控制方程62-642.2数值解法64-653波-流相互作用边界层模型65-664二维悬沙输运模型66-704.1直角坐标系下的控制方程66-684.2广义曲线坐标系下的形式及离散求解68-70第三章数值模型在长江河口的应用70-1551长江口水文泥沙概述70-791.1来水来沙70-711.2潮波与潮流71-741.3口外流系741.4风况与波浪741.5台风74-761.6盐度76-771.7悬沙77-792计算区域及曲线网格的生成79-862.1计算区域和测站分布79-812.2曲线网格的生成81-863模型系统的设置、验证与结果分析86-1553.1复合流场模型86-1163.1.1模型设置86-883.1.2模型验证88-1103.1.3结果分析110-1163.2SWAN波浪模型116-1273.2.1SWAN模型的波浪水槽验证116-1203.2.2风场模型介绍120-1223.2.30215和0216号台风122-1273.3悬沙输运模型127-1553.3.1模型设置127-1293.3.2模型验证129-1433.3.3正常天气情况下的悬沙场143-1463.3.4台风天气情况下的悬沙场146-1553.3.4.19711号台风风场和