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《长江口二维非均匀悬沙数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、泥沙研究2002年12月JournalofSedimentResearch第6期长江口二维非均匀悬沙数值模拟曹振轶,胡克林(华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海200062)摘要:针对长江口水流泥沙运动的特点建立了非均匀悬沙的平面二维数值模型。在模型中考虑了波浪对流场的影响和对水流挟沙力的影响,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响。悬沙模型建立在曲线坐标下,悬沙输运方程采用破开算子的方法求解,平流项采用UltimateQuickest格式求解,提高了计算的精度。通过实测资料对数学模型计算的悬沙含量进行检验,表明它较好地反应了长江口地区泥沙
2、的运动规律。关键词:挟沙力;泥沙数学模型;长江口中图分类号:P731文献标识码:A文章编号:0468-155X(2002)06-0066-081前言河口海岸地区泥沙运动的情况一直是河口海岸研究和治理的重要组成内容。泥沙问题不仅涉及港口选址、航道的疏浚、抛泥区的选择、沿岸的水利、水运工程设施的运行,而且随着经济的发展,污染物排放处置、滩涂促淤围垦等方面的问题日益突出,这些问题与泥沙输运密切相关。长江口地处我国海岸中部,扼守长江黄金水道的入海口,人口众多,经济发达,经济发展对开发沿江、沿海的各种自然资源的要求日益突出。多年来众多研究单位和工程部门对长江口的水文和泥沙问
3、题进行了大量的现场实测,为认识长江口的泥沙运动特性积累了大量的基础数据,总结了相关的理论,为泥沙数学模型的建立和参数的确定奠定了一定的基础。[1][2][3,4][5]近年来众多的学者从不同角度出发运用垂向一维、垂向二维、平面二维模型、三维模型,对长江口泥沙运动及冲淤变化进行了研究,并在长江口深水航道建设等工程中得到应用。这些模型涉及到悬沙的中值粒径d50通常是不随时间和空间上变化的。长江口是潮汐河口,泥沙随潮流周期性变化发生悬扬沉降,中值粒径d50相应发生变化,以长江口南支为例,从垂向平均的情况看,悬移质的大潮平[6]均d50约为小潮d50的2倍,在特殊情况下两者相差更大
4、。为了反映水流条件对悬沙级配变化的影响,[6]徐健益采用非均匀沙的垂向分层的数学模型研究了垂向上各层的含沙量和悬沙级配的分布和变化。[7]长江口地形复杂,滩槽相间,表层沉积物的分布在横向、纵向上变化很大,不同区域的动力特征和表层沉积物差异造成在研究区域悬沙的中值粒径在空间上也不尽相同。长江口海域开敞,波浪作用明显。为了较好反映长江口动力特征和底质差异对参与悬沙交换的影响,作者建立了考虑波流相互作用下的非均匀悬沙的平面二维数学模型。悬沙数学模型建立在高分辨率的曲线坐标系下,这套网格较好地拟合了长江口多变的岸线和众多的岛屿。2二维悬沙数学模型2.1水动力控制方程[8]曲线坐
5、标系下考虑波流相互作用的深度平均二维浅水动力学方程组可表示为收稿日期:2001-07-17作者简介:曹振轶(1973-),男,华东师范大学河口海岸国家重点试验室博士生。66(JHU)(JHV)J++=0(1)t~~~uuUuV~JaxJFxJbx++-fv=-gHy-y+--(2)t~~~vvUvV~JayJFyJby+++fu=-gH-x+x+--(3)t[9]其中J为坐标变换的Jacobi数,U、V为流速的逆变张量(像平面中的流速表达式)1U=(uy-vx
6、)J1V=(-uy+vx)J~~u=HJu,v=HJv其中u、v为直角坐标下的深度平均流速,H=h+,h为水深,为水位,为水的密度,(ax,ay)为[9]风应力,g为重力加速度,(Fx,Fy)为波浪引起的辐射应力项,(bx,by)为波流共同作用下的底摩擦。22guu+v22Bg22bx=2+fwuw+vwuw+22fwu+vuwcs8cs22gvu+v22Bg22by=2+fwuw+vwvw+22fwu+vvwcs8cs(uw,vw)为波浪底质点速度,cs为谢才系数,B为波浪潮流相互影响系数,当波、流同向时B=[9]091
7、7,当两者互相垂直时B=-0198,当方向不定时取B=0359。fw为波浪底部摩阻系数,取0005SxxSxxSxySxyFx=y-y-x+xSyxSyxSyySyyFy=y-y-x+xSxxSxySyxSyy为辐射应力21Sxx=Encos+n-2Sxy=Syx=Ensincos21Syy=Ensin+n-21其中E为波能,E=gHw。812Hn=+24HLwsinhLw其中Lw为波长,Hw为波高,为波向,H为水深
