基於雙層深度平均模型的波浪與浮泥相互作用研究

《基於雙層深度平均模型的波浪與浮泥相互作用研究》是依託武漢大學，由盧新華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於雙層深度平均模型的波浪與浮泥相互作用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：盧新華
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

在淤泥質海岸和河口地區，波浪會引起近底浮泥的運動，浮泥的運動又反過來會影響波浪的傳播與變形。以往對波浪與浮泥相互作用的研究多集中於規則波在平底浮泥床面上的運動問題，而對不規則波在非平整浮泥海床地形上運動的研究工作開展較少，同時，在該課題研究中所採用的數值模擬模型計算效率一般較低而難用於實際套用。本項目通過提出和建立一種計算高效且適用於複雜地形浪-泥相互作用模擬的雙層深度平均數學模型，結合水槽試驗與理論分析方法，系統研究地形變化、不同波要素、水深和浮泥物性參數等眾多影響因素下，規則波和不規則波與浮泥的相互作用規律。研究成果對深入認識浮泥區波浪運動特性、揭示浮泥的運動規律以及波浪與浮泥的相互作用機理、豐富和完善海岸動力學的研究內容等方面具有重要的理論意義和工程套用價值。

結題摘要

在淤泥質海岸和河口地區，波浪會引起近底浮泥的運動，浮泥的運動又反過來影響波浪的傳播與變形。本課題視浮泥為牛頓流體，基於波浪與浮泥兩相流體運動的淺水方程框架，對波浪運動及其與浮泥的相互作用開展了研究。首先，研究了適用於雙層深度平均數學模型的滿足“靜水平衡”條件的界面物理量重構算法，從而擴展了文獻中已有的僅適用於單層深度平均數學模型的相應算法。其次，研究了不同控制方程形式對數值計算結果的影響，理論分析和數值計算結果表明SWE-HH與SWE-ZZ在常用近似黎曼運算元下必給出一致的數值解。第三，分析得到現有基於中心型近似黎曼運算元的單層與雙層深度平均數學模型在小時間步長下存在高數值擴散性問題，建立了收斂型數值通量計算方法；與所開發的雙層界面重構算法一起，為高解析度數值研究雙層流流動提供了新的有利工具。第四，建立了能統一模擬近海色散與非色散性波浪運動的非靜壓深度平均數學模型，通過引入近似黎曼運算元和非靜壓項，模型在不依賴於任何破碎波經驗模型的情況下能較好地模擬波浪破碎前後的水面變化，這較目前常用的依賴於破碎波經驗處理及含多項高階偏導項（數值處理極為困難）的Boussinesq方程模更方便使用且適用性更廣。第五，基於所開發數學模型對波浪與浮泥相互作用規律進行了研究，揭示了複雜地形上波浪與浮泥相互作用過程中水面及界面波的運動特性。以上研究為深入研究浮泥區的波浪運動特性、揭示浮泥的運動規律以及波浪與浮泥的相互作用機理提供理論依據。在本項目的資助下，取得了一系列有價值的成果，發表了論文10餘篇，其中SCI收錄9篇，中文核心論文1篇。協助指導博士生1名，碩士生1名。