潮流和波浪联合输沙的理论研究及其数学模型

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本文针对潮流和波浪联合输沙的机理进行了一些理论研究,并在此基础上建立了一套模拟潮流波浪联合输沙的数学模型,可直接应用于工程实际。 文中根据近岸带和河口区潮流、波浪、湍流三者各自物理尺度的不同,从流体力学Navier-Stokes方程和质量传输方程出发,利用Reynolds分解的方法,导出了潮流波浪联合作用下的流场方程和泥沙扩散方程,并化简得到了波浪作用下的浅水环流方程;潮流流速和潮位变化影响下的浅水波方程。文中应用目前较流行的K-ε湍流模式方程来确定动力粘滞系数和泥沙扩散系数。以此来反映湍流的作用。 为了更能接近实际,大范围地进行计算潮流和波浪的联合作用。本文又从射线理论出发,首次完整地建立了潮流流速和潮位变化影响下的波向线及其散开因子方程,求出了流速与湖位变化作用下的波浪各要素,使潮流波浪联合输沙计算得以顺利进行。 在求解泥沙输移方程时,本文通过引入泥沙扬动条件。根据近底水流中湍流脉动的随机特性,利用概率统计的方法确定泥沙的起悬与沉降量,用来反映悬移泥沙在其运动底部边界所发生的质量交换。并进一步以此作为源/汇项来求解泥沙扩散方程,完成潮流波浪共同作用下的不平衡输沙计算。 根据波浪和波流联合输沙与单向水流输沙特性的不同,本文主要抓住了两个关键因素来考虑波浪对泥沙的作用,即改变底部摩阻和泥沙沉速。 在数值计算方面.本文采用ADI法离散方程,用高斯消去法将五对角方程化为三对角方程来求解。 文中关于波浪传输,水流运动,泥沙输移的计算模式,都与有关参考文献的结果,实验室资料和现场实测资料进行了直接或间接地对证。
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