彎道沖淤與河口鹽度輸運(yùn)三維數(shù)值模擬研究及應(yīng)用.pdf

1、蜿蜒曲折是天然河流的常態(tài)。彎曲河道二次流與主流結(jié)合所形成的復(fù)雜三維螺旋流動(dòng)在河道懸移質(zhì)泥沙混合擴(kuò)散、推移質(zhì)泥沙輸移和河床沖淤變形等方面均起到關(guān)鍵作用。沖積河流的河床切應(yīng)力分布和泥沙輸運(yùn)很大程度上取決于二次流的強(qiáng)度和動(dòng)量重分配結(jié)果，因此，準(zhǔn)確模擬沖積河道的二次流特性是河流數(shù)值模擬研究工作中的重點(diǎn)。彎曲河道二次流橫向輸沙所形成的橫向底坡是平衡二次流逆底坡輸沙，使河床達(dá)到?jīng)_淤平衡的關(guān)鍵，同時(shí)其也能引起推移質(zhì)輸沙方向的偏移，而河床變形也會(huì)造成河

2、床臨界起動(dòng)切應(yīng)力的改變，在河流沖淤數(shù)值模擬中考慮橫向底坡對(duì)輸沙方向的偏移和河床變形對(duì)臨界起動(dòng)切應(yīng)力的影響關(guān)系到模擬的成敗。
　　入海河口地區(qū)受上游徑流、外海潮流、風(fēng)、波浪和咸淡水摻混等多重復(fù)合要素的共同作用，表現(xiàn)出極其復(fù)雜多變的動(dòng)力特征，加之日益增多的河口、岸線整治，航道疏浚和填海圍涂等工程措施，人為地改變了河口地區(qū)原有的岸線和地貌特征，使其中的水動(dòng)力和鹽度輸運(yùn)條件發(fā)生劇烈變化?？紤]多重復(fù)合要素的影響、擬合不規(guī)則的岸線變化和適應(yīng)復(fù)

3、雜的地貌特征以及對(duì)密度分層輸運(yùn)問(wèn)題的把握均對(duì)數(shù)值模型提出更高的要求。
　　面臨諸多具有顯著三維特性的強(qiáng)三維流動(dòng)，以及強(qiáng)三維流動(dòng)作用下的泥沙混合擴(kuò)散、鹽度分層流動(dòng)以及地形沖淤變形問(wèn)題，并伴隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)值模型理論的日趨成熟，對(duì)于三維精細(xì)流場(chǎng)、物質(zhì)輸運(yùn)的模擬得以廣泛的應(yīng)用并逐漸成為解決水利工程問(wèn)題重要的研究工具。
　　本文以流體質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律、泥沙運(yùn)動(dòng)理論、數(shù)值離散方法、代數(shù)方程組解法等基礎(chǔ)理論為支撐，以計(jì)

4、算機(jī)編程技術(shù)為手段，圍繞彎曲河道的流動(dòng)、泥沙輸運(yùn)和地形沖淤變形以及入海河口潮流場(chǎng)和鹽度輸運(yùn)過(guò)程開(kāi)展研究，建立了河流、河口地區(qū)完全三維的非靜壓水動(dòng)力、物質(zhì)輸運(yùn)和河床沖淤數(shù)值模型，并將其分別應(yīng)用于長(zhǎng)江尺八口彎段河床沖淤變形和溫州甌江河口潮流場(chǎng)和鹽度輸運(yùn)過(guò)程的研究。
　　模型在水平方向上采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，垂向上采用邊界適應(yīng)坐標(biāo)系，對(duì)于不規(guī)則曲折岸線和復(fù)雜地貌特征的天然河道、海岸和島嶼等具有較強(qiáng)的邊界擬合能力?；谧兞拷诲e(cuò)定義的方

5、式，運(yùn)用Perot格式和一階迎風(fēng)格式的有限體積方法對(duì)模型控制方程和紊流模型進(jìn)行離散，采用分層積分和顯示兩步投影方法求解N-S方程，通過(guò)采用預(yù)處理共軛梯度方法求解具有對(duì)稱正定性質(zhì)的壓力Poisson方程，能有效地保證質(zhì)量守恒并提高方程組的求解效率。包含考慮垂向加速度的非靜水壓力項(xiàng)，精確給定表層0壓力邊界條件的完全三維非靜壓模型對(duì)于模擬自由水面快速波動(dòng)、局部流場(chǎng)劇烈變化（橋墩、丁壩和局部沖坑等）、地形突變（潮汐溝、人工開(kāi)挖航槽和潛堤等）以及

6、密度分層等三維特性顯著的強(qiáng)三維流動(dòng)問(wèn)題具有更廣泛的適用性。
　　模型求解關(guān)于鹽度輸運(yùn)和考慮泥沙沉速項(xiàng)的懸移質(zhì)泥沙輸運(yùn)的對(duì)流-擴(kuò)散方程，以及經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的推移質(zhì)輸沙率公式求解推移質(zhì)輸沙率。對(duì)于彎道河床沖淤變形所引起的河床臨界起動(dòng)切應(yīng)力變化和彎道二次流輸沙形成的橫向底坡所造成的推移質(zhì)輸沙方向的偏移，模型分別采用Van Rijn河床臨界起動(dòng)切應(yīng)力修正方式和三種不同的考慮橫向底坡導(dǎo)致輸沙方向偏移的方法（Struiksma、Ikeda和En

7、gelund橫向底坡輸沙模型）對(duì)輸沙模型進(jìn)行改進(jìn)，以適用于彎曲河道輸沙和地形沖淤變形的模擬。此外，模型建立了均質(zhì)泥沙在平衡輸沙情況下耦合或半耦合的地形沖淤演化數(shù)值模型，具備模擬平衡沖淤前非恒定的地形沖淤演變過(guò)程的能力。
　　通過(guò)一系列經(jīng)典彎曲水槽試驗(yàn)（193°，140°，180°和S型水槽）對(duì)模型模擬彎曲水槽流動(dòng)、泥沙輸運(yùn)和地形沖淤變形特性的驗(yàn)證和長(zhǎng)江下荊江河段尺八口彎段流動(dòng)和地形沖淤模擬的應(yīng)用，以及波浪通過(guò)潛堤、斜壓異重流算例的