淤泥质海岸浮泥形成与运动的数学模型研究

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淤泥质河口海岸地区,浮泥是一种比较常见的具有特殊流变特性和高流动性的泥沙运动形态,浮泥的形成和运动对淤泥质海岸港口和航道淤积等实际问题具有重要影响。为此,本文针对浮泥的形成和运动过程,首先基于有限体积法建立了三维水动力-粘性泥沙耦合模型为描述浮泥的形成过程奠定基础,然后建立一维浮泥运动模型并在此基础上建立了三维水动力-平面二维浮泥双层模型描述浮泥的运动过程,最后结合大气模型、波浪模型以及模型耦合工具,建立了风-浪-流-粘性泥沙-浮泥集成模型。该集成模型进一步应用于研究不同风浪条件对典型淤泥质海岸连云港浮泥形成和运动以及航道淤积的影响。本文的具体研究内容和主要结论如下:(1)基于有限体积法建立了波、流共同作用下的三维水动力-粘性泥沙耦合模型,模型考虑了粘性泥沙悬扬运动过程的各种影响因素及水动力和粘性泥沙间的相互影响。选取相关实验数据对模型进行了验证,结果表明模型能够较合理地描述水动力和粘性泥沙运动,为合理模拟浮泥的形成奠定基础。(2)推导了非牛顿流体摩阻系数,并将摩阻系数表达式引入到基于浅水方程的一维浮泥运动有限差分模型中计算浮泥与底部床面间的摩阻力,模型的合理性获得实验验证。(3)结合三维水动力-粘性泥沙耦合模型和一维浮泥运动模型的研究成果,建立了基于有限体积法的非结构化网格三维水动力-平面二维浮泥双层模型,描述粘性泥沙落淤形成浮泥及浮泥的运动过程,同时考虑浮泥和水体间的相互影响。模型模拟上部水体和底部浮泥运动的能力获得相关实验验证。(4)河口海岸地区动力因素复杂,在台风等恶劣气候条件下可能在航道和港池中形成骤淤,结合水动力-浮泥双层模型、大气模型、波浪模型和模型耦合工具,建立了三维风-浪-流-粘性泥沙-浮泥集成模型,并将模型应用于台风及大风期间连云港海域的水动力、泥沙、浮泥运动和航道淤积模拟。(5)以典型淤泥质海岸连云港为例,应用建立的集成模型研究不同风浪条件对连云港海域浮泥形成和航道淤积的影响。结果表明大风作用产生强浪,使底部泥沙大量悬浮并在动力条件较弱的航道中落淤,是产生浮泥和航道淤积的重要原因。
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