瓯江口波流耦合作用下二维流场数值模拟研究.pdf

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1、第42卷第5期2013年10月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGV01．42No．50et．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．05．035瓯江口波流耦合作用下二维流场数值模拟研究王留洋。陈晓亮(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116023)摘要：基于MIKE21SW海浪模式，建立非结构网格下的瓯江口二维、双向波流耦合数学模型，对该海区波流共同存在下的二维流场进行了数值模拟，计算结果与实测数据吻合良好，且优于未耦合的结果，比较分析表明：考虑潮流作用大大改善了波高和周期的计算结果，使之更接近

2、观测结果；波浪对潮位的影响较小，对流速的影响较大，其中落潮憩息时刻，波浪对流速的影响最大。关键词：MIKE21SW；瓯江口；双向波流耦合；非结构网格中图分类号：Tvl4文献标志码：A文章编号：1671-7953(2013)05-0130-06河口近岸海区¨J，尤其在浅水区域，波流相互作用对水动力有着重要影响，当波浪、水流联合作用时，其流场结构以及剪应力特性与纯波或纯流相比发生了很大变化旧J，所以研究波流共同作用比研究单纯的波浪或潮流更能真实地描述河口近岸海区的水动力特性。瓯江口海区岛屿林立、沙滩密布、水道纵横、地形复杂，波浪潮流相互作用显著。近年来有很多关于该海

3、区水动力环境的数值研究[3圳，其中以李孟国等K刮的研究最具代表性。但以上研究一般都是将波浪和潮流分开来处理，考虑波流耦合作用的少；即使是耦合计算，也是单向耦合的多，双向耦合的少。因此建立双向波流耦合作用数值模型对该海区的水动力进行研究就显得非常必要。1数学模型1．1波浪模型MIKE21SW是基于波浪作用平衡方程的谱波浪模型，模型可以处理近海和海岸地区大范围的波浪的成长、衰减及变形；可以求解准定常和非定常波浪作用平衡方程的全谱公式和方向解耦参收稿日期：2013—04—02修回日期：2013—04—11基金项目：国家重点基础研究发展计划(2013CB4304(B)；

4、国家自然科学基金(512"N023；511嬲)第一作者简介：王留洋(1985一)，男，硕士生研究方向：波流相互作用的数值模拟E-mail：wacky01@126．com130数公式，并可与2D／3D水流模型完全耦合，是目前有代表性的波浪模型。在笛卡尔坐标系下，模型的控制方程为掣+v．(1，Ⅳ)：一S(1)式中：盯——波浪相对频率；’，——波群速度，秽=(C，，C，，c，，C口)，其中：c。、c，——波浪在x、Y方向的传播速度；C¨c。——波浪在or、0方向的传播(变形)速度，均采用线性波理论计算。铲面dx=爿-+意‰]鲁饥(2)Cy=d矿y÷[-+意‰】鲁+Uy

5、(3)c，=面do-=d删o-[Oh+Ⅱ·Vh】一c。％·一03／比OtOs(4)。矿d￡a^L。坤’¨J。g叫、。7c。=面dO=i1【[丽Oo-赢Oh+后·器】(5)式中：后——波数，k=(k，，k，)；“——流速，Ⅱ=(／t。，Ⅱ，)；s——沿p方向空间坐标；m——垂直于s的坐标；^——总水深。方程(1)左边第一项代表波能随时间的变化；第二项代表波能随地理空间、频率空间和波向空间的变化；右边项S=Sin+S。l+Sd。+

6、sb0。+5。。rf代表使方程能量守恒的源项，

7、si。指风输入的能量；

8、s。。指波与波之间的非线性作用引起的能量损耗；5。。指由白帽引起

9、的能量损耗；．sh。指底摩阻引起的能量损耗；5。。d指由于水深变化引起的波浪破瓯江口波流耦合作用下二维流场数值模拟研究——王留洋，陈晓亮碎产生的能量损耗。1．2潮流模型1．2．1水流模型对于平面大范围的自由表面流动、水深尺度远小于平面尺度、无明显垂直环流和垂向流速小的浅水流动，可用静水压力代替动水压力，并沿水深方向进行积分来简化方程，整合水平动量方程和连续方程，得到下面的二维浅水方程。1)连续方程。塑+也+业：ttt5一(6)——+——+——=(O)OtOxOy2)动量方程。迎Ot+遂Ox+地Oy一∥^+曲碧=。a戈一*鲁+起2塑Oxll“+huff(7)警+逆

10、+业+fuhayOx埘雾=at。av一去(hW毗y+譬争小hv,S(8)式中：卜一时间；算、y、z——右手Cartesian坐标系；d——静止水深；^——总水深，h=d+田；叼——水位；u、钉、似——流速在戈、八z方向上的分量；p——水的密度；p。——海水密度；p。——当地的大气压；卜Coriolis参数(’n是地球自转角速率，中为地理纬度)／=27sin毋；扣∥——地球自转引起的加速度；A。、A，——应力项，由应力模型提供；Js——源汇项，(M；，吼)源汇项水流流速；／／、l，——平均深度戈、Y方向的速度分量，被定义为hu=肛(9)hV=￡秽dz1．2．2应力

11、模型应力模型用于计算水流