近海与河口区域是海洋与陆地交互的重要过渡区域,同时也是水动力环境最为复杂的水域之一。该区域水动力复杂之处的表现之一,体现在河流径流、潮流和波浪影响泥沙的输移和沉积,进而引起河口海岸形态发生改变形成沙波地形,沙波地形反过来又对近底的水流结构造成极大的干扰,特别是来自海洋一侧的波浪,波浪进入该区域引起水体内部的流速与压力发生动态变化,加剧了沙波地形上覆水体的湍动作用,引起水流结构的进一步变化。当前,通过现场观测进行沙波湍流的水动力特性研究受到了技术和作业条件的限制,而物理模型试验受场地和成本的影响,本身也具有一定的局限性。因此,利用数值模拟技术探究近海与河口区域沙波地形对上覆水体水动力特性的影响,对海洋环境动力学理论的研究以及沙波湍流场的特性研究有着重要的现实意义。本文基于雷诺应力湍流模型,结合VOF方法追踪自由表面,建立了二维的概化沙波定床数值水槽。通过边界造波法与设置阻尼消波区,在数值水槽中模拟水流、波浪以及波流耦合的水动力环境,分析在不同的水动力环境下沙波湍流的水流结构和特点,并通过改变边界条件模拟多种不同工况,探讨水流流速、沙波形态、波高和周期等水动力要素的改变对沙波湍流场的影响。主要的研究结论有:(1)相对于沙波、波浪的空间和时间尺度,本文将潮流某时段近似当作稳定流进行研究。在该水流条件下,沙波背流面存在稳定的回流现象。回流涡旋的形态受来流条件控制,来流雷诺数越大,流场的湍动作用便越强,分离流在强烈的掺混作用下会形成涡旋尾迹,尾迹的扩散范围与雷诺数大小成正比。沙波波陡的大小影响回流涡旋的高度,回流涡旋的长度比随波陡的增大而减小,但这种趋势会随着波陡的进一步增大而逐渐减弱。同时,沙波迎流面与背流面的水平距离之比(6/(7对回流涡旋的高度有一定的影响。(2)在波浪作用下,沙波湍流场同样会在背流面形成回流涡旋。波浪传播引起波面高度的变化,进而在沙波波谷两侧形成压力差,这是回流涡旋形成的主要原因。波浪正向传播时,回流涡旋对上覆水体起到一定的顶托作用;而当波浪逆向传播时,沙波地形对波浪的反射作用明显。波浪的波高大小对流场的影响主要体现在波峰高度和回流强度上,当波高增大时,波峰高度增加,回流涡旋的强度和大小都有所上升。波浪的周期长短对沙波湍流场也有一定的影响,当波浪正向传播时,周期越长,回流涡旋对上覆水体的顶托作用也越强;当波浪逆向传播时,周期对流场的影响取决于反射波波峰是否与入射波重叠,两者波峰重叠时涡量向主流扩散的趋势减弱,而当两者波峰不发生重叠时,波面存在较大的起伏,涡量在波动压力作用下更容易向主流当中扩散。(3)在波流同向的情况下,沙波湍流场的回流涡旋强度较高,形态上的变化表现为“减弱—消失—生成—壮大”的周期性过程,而在波流逆向的情况下,回流涡旋则呈现出“壮大—减弱—消失—生成”的周期性变化过程。沙波湍流场的水动力同时受水流和波浪两者的影响,分离流受波动压力影响上下摆动,回流涡旋与分离流之间形成动态平衡。当波高较大时,动态平衡被破坏,回流涡旋增强并脱离分离流的约束进入主流,涡量也向四周逸散造成水体扰动,波流逆向的情况下甚至会导致波浪发生破碎。平均流速的改变对回流涡旋的形态变化也有较强的影响,当流速较低时,回流涡旋难以保持形态完整,涡量从主体涡旋后部逸散,表现为次生涡旋;当流速较大时,分离流增强并再次与回流涡旋形成动态平衡。