冲泻区水动力特性的数值分析.pdf

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1、中国科学：技术科学2013年第43卷第12期：1328—1337《中国科学》杂志社、^n^n^，．scichina．comtech．scichina．comSCIENCECHINAPRESS冲泻区水动力特性的数值分析蒋昌波①②，邓斌①②，胡世雄①③，汤寒松①@①长沙理工大学水利工程学院，长沙410004；②水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙410004；⑧宾夕法尼亚州立东斯特劳斯堡大学地理系，东斯特劳斯堡18301．2999，美国④纽约城市大学土木工程学院，纽约10031，美国E—mail：dengbin07@163com收

2、稿日期：2013．08—08；接受日期：2013．09．02国家自然科学基金(批准号：51239001，51179015)资助项目摘要基于三维非稳态的Navier．Stokes方程，采用有限体积法进行数值离散，在构造高分辨关键词率STACS格式的VOF方法的基础上，建立基于气液两相流的三维自由面流动模型，并基于该气液两相流冲泻区模型对三维剪切流场和圆柱水体坍塌进行了三维模拟，检验其数值精度．应用该模型数值研究水动力冲泻区内涌波(bore)在均匀斜坡上的动态传播过程．对上爬水流自由面水位高度与实验数值进高分辨率行对比，结果显示数值解与

3、实验解吻合较好，模型能很好描述水流的掺气运动．数值分析了涌波崩塌(BoreCollapse)、上冲流(Uprush)和回落流(Backwash)等过程中的自由水面、瞬时流速及床面最大剪切应力的时空分布．结果表明，冲泻区水动力结构时空变化非常复杂，模型能捕捉到高速薄层水流结构，优于前人的数值结果，研究有利于进一步了解冲泻区内的泥沙输运规律及岸滩演变机制．波浪从破碎区(surfzone)运动至冲泻区(swash筑物的相互作用、泥沙输运和海啸溯升等问题l6】．zone)，其水动力条件非常复杂，同时伴有大量的泥已有许多学者对冲泻区水动力等方

4、面的内容开沙输运，是海岸带动力和地形变化最明显的区域，岸展了一系列的研究．在理论研究方面，前人大多基于滩中大部分的侵蚀和淤积都集中发生在破碎区至冲浅水方程，认为流场符合水深平均和静压假设，理论泻区这一地带¨】J．而冲泻区(Swashzone)作为海滩分析由溃坝机理产生的涌波在斜坡上的传播特征，的一部分，周期性受到波浪破碎后冲溅的上冲流和从而近似描述冲泻区的水动力特征．如Whitham_l圳回落流的覆盖和暴露【4]．由于滩面受到水体交替的覆采用特征线法并结合激波条件推导出涌波传播到静盖与暴露，冲泻区内的泥沙输运与水动力相互作用更水面时

5、的波高值；Shen和Meyer[HI推导出涌波坍塌后为强烈，海岸遭到侵蚀的程度更大．冲泻区水动力特海岸线运动轨迹的精确解；Peregrine和Williams[121随性直接决定泥沙运动和岸滩演变，因此，有必要深入后在Shen和Meyer[111的基础上，得到了溃坝波在斜分析冲泻区内的水动力特性，特别是波浪破碎后涌波坡上运动的一系列水动力特性的理论解．近年来，的形成及演化，这也能够使我们深入了解海岸带发生Pritchard等人『l提出了可描述涌波作用下冲泻水流多种破坏问题的原因，例如，海岸带的侵蚀、波浪与建运动轨迹的隐式解析解．但已

6、有研究忽略了涌波后英文版发表信息：JiangCB，DengB，HuSX，eta1．Numericalinvestigationofswashzonehydrodynamics．SciChinaTechSci，2013，56：3093—3103，doi101007／sl1431—013—5389．9中国科学：技术科学2013年第43卷第l2期面的动量作用，相比实验和数值解，理论值均低估了其中p为密度，为流速矢量，t为时间，P为压力，低、中冲泻区内的水深高度．在实验研究方面有为动力黏性系数，为应变率张量，F为体积力，包括Yeh[钔，Ta

7、llent等人、Ting和Kirby[刚，Losada等重力和表面张力的作用．为了充分的了解流动过程人ll的研究，但这方面的研究多因为实验设备的不中水体的紊流特性，模型中采用Smagorinsky的LES—完善，实验获得的结果并不令人满意，如由于上爬后SGS技术，封闭高斯滤波方法过滤后不可压缩的期及回落阶段水深非常浅且流速很大，接触式的浪Navier．Stokes方程．由于水流紊动的存在，网格积分高仪和流速仪(NDV)不能很好地测量到水深及流速时产生的子涡紊动应力项为，=pu“，-pu·M，．大分布．近年来，国外在这方面的研究倾向于

8、利用激光涡模型中亚格子应力项是未知的，方程需要封闭，本粒子图像测速仪(PIV)进行实测以及建立数学模型进行数值研究llⅢ．其中，数值模型大多基于浅水方文采用亚格子涡黏性模型，其形式为：rij一÷，=j程(ShallowWaterEqu