河口海岸三維水沙運動的間斷有限元模型研究.pdf

1、三維數(shù)學(xué)模型是解決復(fù)雜條件下水沙運動的重要手段之一,在河口海岸工程泥沙問題的研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文基于間斷有限元方法建立了河口海岸三維水沙數(shù)學(xué)模型,數(shù)模結(jié)果與典型問題的解析解和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,證明了所建模型的可靠性和合理性。進(jìn)一步利用該模型對黃驊港海域水沙運動進(jìn)行了模擬研究,分析了泥沙運動和航道淤積變化規(guī)律。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)基于新型數(shù)值方法—間斷有限元方法,建立了波流共同作用下的三維水動力

2、數(shù)學(xué)模型,在該模型中考慮了垂向變化的輻射應(yīng)力、波浪破碎引起的水滾效應(yīng)、波浪產(chǎn)生的附加紊動效應(yīng)以及波流共同作用下的底部切應(yīng)力。選取典型算例對所建模型進(jìn)行了測試和驗證,結(jié)果表明所建數(shù)學(xué)模型的水動力計算結(jié)果與解析解和實測結(jié)果吻合程度較好。
　　(2)基于間斷有限元方法求解對流擴(kuò)散方程,并在模型中引入斜率限制器以抑制非物理振蕩,增強(qiáng)模型的穩(wěn)定性和捕捉間斷濃度的能力,建立了具有二階數(shù)值精度的波流共同作用下三維懸沙輸移數(shù)值模型。模型針對不同波

3、流動力條件,引入了純流、純波、波浪破碎影響以及波流共同作用等條件下的垂向擴(kuò)散系數(shù)分布,并考慮了近底高含沙對水體紊動抑制的影響。利用大量經(jīng)典解析解和水槽試驗數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果進(jìn)行了比較,驗證了所建模型的合理性。
　　(3)黃驊港海域潮流泥沙過程觀測資料以及大風(fēng)天波浪過程與航道淤積實測數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果的比較表明,所建模型可以合理描述現(xiàn)場海域水沙運動,可以應(yīng)用于工程泥沙問題的研究。模型的多組分泥沙模式也可以合理描述航道沉積泥沙中值粒徑