《波浪與淤泥質海床的相互作用及其數學模型研究》是依託河海大學，由蔣勤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：波浪與淤泥質海床的相互作用及其數學模型研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：蔣勤
- 依託單位：河海大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著我國沿海經濟開發戰略的具體實施，淤泥質海岸的開發、利用和保護在不斷推進。深入研究淤泥質底床在波浪作用下的動力回響（如底泥的流變特性、質量輸送及底泥運動引起的波浪衰減）對正確評估淤泥質海岸的水動力和水環境要素，預測控制底泥運動對港口工程及海岸環境的影響，具有十分重要的科學意義和實際工程套用價值。本課題在申請人對商用高嶺土淤泥的研究基礎上，對現場淤泥在波浪作用下的動力回響特性進行實驗研究。首先，採用振盪旋轉式剪下流變儀，研究現場淤泥在周期性荷載下的流變特性，提出波浪作用下底泥的半經驗非線性粘彈塑性模型。其次，對波浪作用下淤泥質底床的壓密和液狀化進行試驗研究，揭示泥床壓密與液狀化的動力特性和誘發機制，建立相應的含水量變化計算模型。綜合前述底泥本構方程及含水量預報模型，採用VOF自由表面追蹤技術和SMAC法等數值模擬技術，開發波浪與淤泥質底床相互作用的非線性波-泥耦合數值波浪水槽，並通過實驗數據對所建模型進行驗證。最後，採用所建立的波-泥耦合數值波浪水槽對波浪作用下淤泥質底床的動力回響及其運動機制進行分析研究。
結題摘要
淤泥質海岸資源的有效保護與高效利用是我國沿海經濟可持續發展的重要保障。深入研究波浪與淤泥質底床相互作用的物理過程和運動機制，把握波浪作用下淤泥質底床的動力回響特徵，預測淤泥質底床的運動對水動力和水環境要素的影響，是淤泥質海岸開發與保護中完善工程的規劃、設計、施工、維護與管理的基礎，也是保障工程的設計標準，提高工程建設的經濟性和安全性的前提。對豐富河口海岸的泥沙運動理論和海岸工程與海岸環境工程的發展都具有十分重要的科學意義和實際工程套用價值。本課題針對目前對周期性荷載作用下淤泥流變特性及其本構方程，以及波浪作用下淤泥質海床動力回響及其數學模型等方面研究的不足，首先採用振盪旋轉式剪下流變儀，選用商用高嶺土和連雲港與長江口河口的現場淤泥，對周期性波浪荷載作用下淤泥的流變特性進行了實驗研究，在此基礎上建立了波浪作用下淤泥質底泥的半經驗半理論非線性粘彈塑性體本構模型；其次，對波浪作用下淤泥質粉砂的動力回響以及液狀化特性進行了實驗研究，揭示了粘土含量對粉沙淤泥質海床液狀化的誘發機制和動力特性的影響，提出了海床發生液狀化的影響因素和判定條件；此外，為實現對含有大自由表面變形複雜水沙交界面的水流與泥沙二相流運動的高精度模擬，基於傳統的有格線法和近年來提出的無格線粒子法，分別建立了計算水沙二相流運動的CIP-DEM法數值計算模型和MPS無格線粒子法數值水槽；最後，將所建立的水沙二相流數值計算模型用於潰壩水流與淤泥質海床相互作用，以及波浪與流化海床相互作用問題的模擬，並通過與實驗結果或理論分析結果的對比，驗證了本課題所建立的模擬方法的合理性和模擬精度。 本課題所構建的周期性荷載作用下粘性底泥流變特性本構方程，可以用於實際工程中研究分析淤泥質河口海岸波浪與淤泥質底床的相互作用；所建立的基於格線法的CIP-DEM二相流數值計算模型和基於MPS無格線粒子法的二相流數值模型不僅可以用於模擬波浪與淤泥質底床相互作用，也適用於對含有大自由表面變形和複雜介質界面的波浪與建築物相互作用的模擬分析，為進一步研究波浪與淤泥質海床和海工建築物的相互作用提供了理論基礎和分析方法。
