[發(fā)明專利]粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運動數(shù)值模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110231013.6
• 申請日: 2011-08-12
• 公開（公告）號: CN102359862A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發(fā)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(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

1.一種粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運動數(shù)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(xù)方程、水流運動方程、懸移質(zhì)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(shù)、波流共同作用下的床面剪切應力；

步驟三，泥沙數(shù)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(shù)學模型，然后采用有限體積法求解泥沙數(shù)學模型，計算網(wǎng)格為三角網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺度1500m，最小20m；

步驟四，泥沙數(shù)學模型驗證：

4-1，采用實測中潮資料對泥沙數(shù)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(shù)學模型進行含沙量驗證；

步驟五，根據(jù)泥沙數(shù)學模型判定懸沙沉速場：

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

5-2，根據(jù)模型圖中潮周期內(nèi)不同沉速線的外包絡線判斷懸沙沉速場與底質(zhì)分布。

2.根據(jù)權利要求1所述的粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運動數(shù)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(xù)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(shù)；f為科氏參數(shù)；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(zhì)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(shù)；F_s為泥沙沖淤函數(shù)；

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(shù)。

3.根據(jù)權利要求1所述的粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運動數(shù)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(jīng)驗系數(shù)，ω為泥沙沉降速度，S為含沙量；

(2)泥沙沖淤函數(shù)：

泥沙沖淤函數(shù)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(shù)；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(shù)，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(shù)，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(zhì)點水平運動速度；f_w為波浪摩阻系數(shù)，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(zhì)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(shù)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。