[發明專利]粉沙質和淤泥質海岸泥沙運動數值模擬方法

有效

• 申請號: 201110231013.6
• 申請日: 2011-08-12
• 公開（公告）號: CN102359862A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 張瑋;安翔;徐卓;申其國;李國臣
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

1.一種粉沙質和淤泥質海岸泥沙運動數值模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：建立基本方程，所述基本方程包括水流連續方程、水流運動方程、懸移質輸移擴散方程、床面沖淤變化方程；

步驟二，計算懸沙沉速、泥沙沖淤函數、波流共同作用下的床面剪切應力；

步驟三，泥沙數學模型的建立和求解：以MIKE21為工具，結合步驟一的基本方程、步驟二的計算結果建立泥沙數學模型，然后采用有限體積法求解泥沙數學模型，計算網格為三角網格，最大網格尺度1500m，最小20m；

步驟四，泥沙數學模型驗證：

4-1，采用實測中潮資料對泥沙數學模型進行水流驗證；

4-2，采用平均含沙量作為檢驗的標準，相對應的動力條件為典型中潮資料加上年均有效波高波浪場，對泥沙數學模型進行含沙量驗證；

步驟五，根據泥沙數學模型判定懸沙沉速場：

5-1，根據懸沙沉速來判斷泥沙性質：當沉速大于1mm/s的泥沙屬于粉沙質泥沙，沉速在0.6mm/s以下的泥沙判定為淤泥質泥沙，而既包括粉沙質泥沙又包括淤泥質泥沙的粉沙淤泥質泥沙，其沉速范圍為0.6mm/s～1mm/s；

5-2，根據模型圖中潮周期內不同沉速線的外包絡線判斷懸沙沉速場與底質分布。

2.根據權利要求1所述的粉沙質和淤泥質海岸泥沙運動數值模擬方法，其特征在于，步驟一所述基本方程具體如下：

①水流連續方程：

式中：x、y為直角坐標系坐標；t為時間；h為平均水深；ζ為相對于平均海平面的潮位；U_x、U_y分別為x、y方向上的垂線平均速度；

②水流運動方程：

∂Ux∂t+Ux∂Ux∂x+Uy∂Ux∂y=fUy-g∂ζ∂x-τxρ(h+ζ)+Nx(∂2Ux∂x2+∂2Ux∂y2)]]>

∂Uy∂t+Ux∂Uy∂x+Uy∂Uy∂y=-fUx-g∂ζ∂y-τyρ(h+ζ)+Ny(∂2Uy∂x2+∂2Uy∂y2)---(2)]]>

式中：ρ為水體密度；g為重力加速度；N_x、N_y分別為x、y方向的水平紊動粘性系數；f為科氏參數；τ_x、τ_y分別為波流共同作用下床面剪切應力在x、y方向的分量；

③懸移質輸移擴散方程：

式中：S為垂線平均含沙量；D_x、D_y分別為x、y方向的泥沙擴散系數；F_s為泥沙沖淤函數；

④床面沖淤變化方程：

γd∂ηb∂t-Fs=0---(4)]]>

式中：γ_d為床沙干密度，η_b為海底床面的豎向位移，即沖淤變化量；F_s為泥沙沖淤函數。

3.根據權利要求1所述的粉沙質和淤泥質海岸泥沙運動數值模擬方法，其特征在于，步驟二的計算具體如下：

(1)懸沙沉速：

針對中值粒徑小于63μm和含沙量小于10kg/m³的泥沙，關于沉速與含沙量之間的關系式：

ω＝kS^α????????????????????????????????(5)

式中k、a為經驗系數，ω為泥沙沉降速度，S為含沙量；

(2)泥沙沖淤函數：

泥沙沖淤函數F_s與底部剪切應力及泥沙特征的關系由下式確定：

式中：τ為水流底部剪切應力；τ_d為不淤臨界剪切應力；τ_e為起動臨界剪切應力；α為淤積概率；M為沖刷系數；ω為泥沙沉降速度；

(3)波流共同作用下的床面剪切應力：

(3)-a，當只考慮水流作用時，床面平均剪切應力：

τc=12ρfcUc2]]>

式中：U_c為水流平均速度；f_c為水流摩阻系數，可用下式計算

fc=2{2.5[ln(30hk)-1]}-2---(7)]]>

其中k為床面阻力系數，h為平均水深；

(3)-b，當只考慮波浪作用時，床面平均剪切應力：

τw=12ρfwUb2---(8)]]>

式中：U_b為波浪底部水質點水平運動速度；f_w為波浪摩阻系數，其中

fw=0.00251exp[5.21(A/ks)-0.19]A/ks>1.57=0.3A/ks≤1.57---(9)]]>

其中k_s為Nikuradse糙率，取30z₀；z₀為波浪摩阻高度；A為波浪近底質點運動的振幅，按照線性波理論近似表示為：

A=Hπ1sh(2πh/L)---(10)]]>

式中，H代表波浪高度，L代表波浪的長度；

(3)-c，當波流共同作用，采用波浪摩阻系數概念

τmeanτc+τw=τcτc+τw(1+b(τcτc+τw)p(1-τcτc+τw)p)---(11)]]>

τmaxτc+τw=1+a(τcτc+τw)m(1-τcτc+τw)n---(12)]]>

式中：τ_c為考慮純水流作用下的切應力，τ_w為考慮純波浪作用的切應力，b、p、q、a、m、n為綜合表達式。