波浪作用下沙紋床面粗糙高度研究

《波浪作用下沙紋床面粗糙高度研究》是依託天津大學，由張慶河擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：波浪作用下沙紋床面粗糙高度研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張慶河
• 依託單位：天津大學

項目摘要

波浪作用下的沙紋床面粗糙高度是計算床面切應力乃至建立海岸泥沙運動模型的關鍵性參數，但目前尚缺乏描述粗糙高度變化規律的合理公式或模型，其主要原因在於人們對沙紋床面上波浪邊界層水流與泥沙運動機理的認識不夠深入。本項目擬建立波浪作用下沙紋床面水流和泥沙運動的全尺度三維格子玻耳茲曼模型，在進行水槽實驗驗證所建模型的基礎上，對沙紋床面上波浪邊界層內的水流紊動、旋渦運動以及泥沙運動特性進行模擬研究，揭示沙紋演化機理，並通過大量模擬結果總結沙紋特徵尺度和床面粗糙度的變化規律，提出沙紋尺度和床面粗糙度的合理預測公式。上述工作可為沙質海岸泥沙運動研究奠定基礎，有重要的科學意義和實用價值。

結題摘要

波浪作用下床面形成沙紋會明顯改變床面阻力和波浪邊界層運動特性，從而影響沙質海岸泥沙運動。本項目採用數值模擬和實驗研究及理論分析相結合的方法，對沙紋床面上的波浪邊界層水流紊動特性和粗糙高度、摩阻係數及泥沙運動等進行了研究。項目的主要研究內容和取得的成果有：（1）利用大渦模擬（LES）和格子玻耳茲曼（LB）相結合，建立了描述振盪流作用下粗糙平床與沙紋床面邊界層特性的三維數值模型，模型的合理性得到平床和沙紋床面波浪水槽實驗驗證；（2）根據大量數值模擬結果，給出了振盪流作用下隨機排列球形顆粒床面粗糙高度和摩阻係數表達式；（3）針對軌道沙紋、亞軌道沙紋和非軌道沙紋三種類型平衡沙紋床面振盪紊流邊界層進行模擬，揭示了三種平衡沙紋的特性，解釋了沙紋床面泥沙濃度變化現象，並根據模擬結果給出了沙紋床面粗糙高度表達式；（4）建立了水流與泥沙顆粒運動耦合的全尺度LB模型，模型得到解析解和實驗驗證，能夠合理描述近床面泥沙顆粒運動，但限於計算量限制，目前尚不能通過大量算例研究波浪作用沙紋形成規律；（5）基於開源計算流體力學和離散元軟體建立了水流與泥沙顆粒耦合運動CFD-DEM模型，模型可以模擬大量顆粒運動，模擬結果得到實驗驗證；（6）利用CFD-DEM耦合模型模擬了振盪流作用下近床面泥沙運動，給出了半周期平均推移質輸沙率，並對接近沙紋形態的床面泥沙現象進行了分析；（7）採用VOF方法和LB模型建立了二維數值波浪水槽，模擬結果得到解析解和實驗驗證，該項工作為波浪作用下（含自由表面）泥沙顆粒運動的LB模擬奠定了基礎；（8）將波浪粗糙高度和摩阻係數公式引入沿岸輸沙研究，建立了具有橫向分布的沿岸輸沙率模型、非結構化格線沿岸流數值模型和泥沙運動機岸灘演變模型。