河口海岸三维水沙运动的间断有限元模型研究

发布时间：2024-06-11 04:41

　　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...

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图3-1理想河口示意图

假设一种理想河口，等宽平底，水深为常数，壁面和底床无阻力，一端封闭。如图3-1所示。图3-1理想河口示意图进入河口的潮波波形为：=ηacos(ωtkx)(3-1)式中，a为振幅；ω为角频率；k为波数。相应的流速为:cos()autkxhkω=ω....

图3-2理想河口不同断面处流速验证（实线：解析解；○：数值解）

坐标原点设置在封闭端处。3.1.1.2结果分析图3-2给出了五个周期内距离河口封闭端不同距离处的水平流速模拟值和解析解的比较。从中可以看出，数值模拟结果与解析解吻合较好，模型能够准确模拟理想河口潮波运动。图3-2理想河口不同断面处流速验证（实线：解析解；○：数值解）3.1.....

图3-3矩形水槽垂向风生环流示意图

3-3为水槽中心垂向面上流速的分布情况，由图可见，在风的作用的粘性和对流作用，流动从表层逐步延伸至整个水体，最后形成了垂向环流。模型较好地模拟出了风生流的流场情况。风生流流速计的比较如图3-4所示，从中可以看出，计算值与解析解吻合程度很，模型能够真实地再现矩形水槽中由于风作....

图3-4风生流流速计算值与解析解的比较

图3-3矩形水槽垂向风生环流示意图

本文编号：3992424