淺海潮流振盪邊界層動力特性及懸沙垂直分布研究

《淺海潮流振盪邊界層動力特性及懸沙垂直分布研究》是依託南京師範大學，由宋志堯擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：淺海潮流振盪邊界層動力特性及懸沙垂直分布研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：宋志堯
• 依託單位：南京師範大學

項目摘要

關於淺海潮流震盪邊界層動力特性及懸沙垂直分布問題，是物理海洋學、河口海岸學重要的科學命題，是海岸河口及環境工程套用的理論基礎，對於淺海沉積動力學、地貌演化、物質循環和陸海相互作用等方面，具有重要的科學意義。但長期以來，該研究一直沿用傳統對數邊界層的理論，近年來隨著我國海岸海洋工程建設項目的增多，能源、空間等資源的空前緊張，以及海底資源的勘測和開發，迫切需要對此有更深刻、更全面的認識。本項目基於變數分離原理和紊流理論，通過引入加速係數和沖淤係數，攝動求解潮流速及懸沙垂直分布近似解，揭示淺海潮流震盪邊界層紊動剪應力、流速等動力要素和非平衡懸沙濃度垂直分布周期性的變化規律，分析底床摩阻特性、摩阻流速和粗糙高度等剖面參數的影響因素，豐富並完善潮流震盪邊界層的理論體系，為淺海潮流泥沙數學模型提供更為科學的依據，為進一步研究淺海潮流波浪相互作用及其對泥沙輸運的影響打下良好的基礎。

結題摘要

在淺海潮流震盪邊界層動力特性研究上，國內外仍廣泛套用恆定流條件下的對數邊界層理論，剪下流速通過曼寧係數與水深平均流速建立關係，未考慮潮流的加減速效應，導致剪下流速、粗糙高度的估算及底床阻力計算出現較大的偏差，影響潮流及泥沙運動的模擬精度。本研究基於潮流動力過程特徵結合紊流基本理論，得到了淺海潮流紊動剪下應力分布及流速剖面公式，首次提出了底床阻力及剪下流速與水深平均流速及其加速度之間的關係式，揭示了淺海潮流的動力及運動要素垂直分布規律與潮流加減速之間的聯繫。研究結果可套用於二維平面潮流數值模型中，並有效提高模擬精度。 目前國內外懸沙輸運數學模型存在的主要問題是模型係數的不確定性，模擬計算時具有一定的主觀隨意性，特別在近海懸沙模擬計算中更是如此，其中的關鍵是非平衡懸沙垂直分布問題。本研究通過分析擴散方程的邊界條件，建立了新的擴散係數表達式，提出了簡潔實用的懸沙平衡剖面公式；基於變數分離原理分解了三維懸沙輸運方程，通過引入沖淤係數，建立了二維平面懸沙輸運方程和一維垂向擴散方程；套用攝動法得到了非平衡懸沙剖面的近似解，揭示了非平衡懸沙濃度垂直分布的周期性變化特徵；提出了沖淤函式的理論表達式，首次給出了恢復飽和係數的計算公式，明確了沖淤係數、恢復飽和係數和水流挾沙能力及含沙量之間的聯繫；同時改進了張瑞瑾等提出的水流挾沙力公式，使其能更有效地套用於淺海懸沙輸運的模擬計算。 通過研究，加深了對淺海海域潮動力及懸沙分布的認識，定量給出了潮流及懸沙數學模型中的關鍵係數，使潮流及懸沙的數值模擬更為科學合理。