近海岸沖流、泥沙運動與灘面變形的耦合數值模擬研究

《近海岸沖流、泥沙運動與灘面變形的耦合數值模擬研究》是依託浙江大學，由胡鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：近海岸沖流、泥沙運動與灘面變形的耦合數值模擬研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：胡鵬
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

近海岸沖流帶在垂直海岸方向較窄、但水動力特性複雜、泥沙含量高，是海岸環境重要的水沙運動區域。然而，以往理論與數值研究不同程度上忽略了水、沙和灘面之間的相互作用（如忽略灘面變形對沖流的反作用、假定推移質向飽和狀態的瞬間調整、僅考慮均勻泥沙輸移等）。這嚴重製約著對沖流帶水沙運動特性和規律的認識，影響工程效應。本項目基於流體力學水沙兩相基本的質量和動量守恆律、套用高性能激波捕捉數值格式，建立沖流帶深度積分水沙耦合數值模式和多重時間尺度理論，揭示沖流帶沖流、非均勻泥沙運動和海岸灘面變形之間的相互作用機制，闡明沖流帶推移質水流挾沙力概念適應性、灘面變形對波浪水流反作用機制、以及灘面地形對均勻與非均勻泥沙輸移的回響規律，界定現有沖流帶數值模型的適應性及適應條件；為海岸防護、海岸線整治規劃和合理開發提供理論基礎和科學預測。

結題摘要

地形沖淤對強沖積水流過程演化反作用的重要性得到了廣泛承認，考慮該反作用的水沙與河床耦合數值模型得以建立，並開始被用於長江航道水沙運動規律和灘槽演變機理的數值研究。近海岸沖流帶的海灘沖淤幅度非常之大，屬於強沖積過程，但地形沖淤的反作用尚未在沖流水沙數學模型中得到考慮。主流近海岸軟體（如Xbeach）對推移質泥沙的模擬依然採用飽和輸沙假定（即飽和輸沙模型）：直接採用經驗公式估算推移質輸沙率，忽略了推移質向飽和狀態調整需要的時空尺度。採用充分考慮水流-泥沙-海灘之間相互作用（即考慮地形沖淤反作用，也考慮推移質向飽和狀態調整所需時空尺度）的深度積分RANS方程，用非結構三角形格線離散計算區域，用有限體積法求解控制方程，用可以自動捕捉激波/間斷的HLLC近似黎曼運算元求解相鄰三角形單元之間的數值通量，用Slope Flux Method離散底坡，建立了近海岸沖流-泥沙-海灘耦合動力學數值模型。套用該數值模型，模擬了近年Aberdeen大學開展的9組針對沖流過程的水槽實驗。對於每組實驗，採用三種不同的摩阻係數估算方法（Swart公式，Colebrook公式，摩阻係數為常數值）進行了數值計算。將計算得到的床面剪下應力與實測值（兩種實測值：採用流速垂向分布log-law反算的床面剪下應力，採用Shear plate直接測量的床面剪下應力）對比發現，不同摩阻係數估算方法得到的床面剪下應力與實測值有一定差異。然而，實測床面剪下應力量級被三種估算方法包絡起來。這表明，數學模型結合經驗公式能夠捕捉到沖流過程床面剪下應力的量級。在此基礎上，通過數值對比，研究了沖流帶推移質向飽和輸沙狀態的調整所需時空尺度的影響。研究表明，對於近海岸沖流帶數學模擬而言，必須考慮推移質向飽和輸沙狀態調整所需的時空尺度，即採用非飽和輸沙數學模型。研究還發現，現有輸沙率經驗公式套用於沖流帶時往往會計算出物理上不切實際的高含沙量值，並指出其不適應於沖流帶的主要原因在於現有輸沙率公式沒有合理考慮沖流帶獨特的小水深大流速特點。