基于双层深度平均模型的波浪与浮泥相互作用研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51409195
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
25.0万
负责人：
卢新华
依托单位：
武汉大学
学科分类：
E0903.水力学与河流动力学
结题年份：
2017
批准年份：
2014
项目状态：
已结题
起止时间：
2015-01-01 至2017-12-31

项目参与者：
张小峰；姚晓明；任实；望思强；金栋；
关键词：
不规则波非静压双层模型浮泥

项目摘要

In muddy estuary and coastal area, fluid mud motions can be induced under water waves. Meanwhile, water waves deform due to mud movement. Previous researches on wave-mud interactions mainly focus on regular waves propagating over a flat mud layer. Less study has been carried out on practical irregular waves interacting with mud layer on complex topography. The numerical models used previously suffer from high computational cost and are of less practical application value. In this project, a high-efficiency double-layer-averaged numerical model will be developed to model the wave-mud system. Systematic investigation on interactions of regular/irregular waves with mud layer will be implemented under topography changes, different wave parameters and water depth, and various mud layer properties. Numerical simulation, flume experiments, and theoretical analysis methods will be conjunctively employed. Achievements obtained from the research will enhance the knowledge on water wave and fluid mud movement in muddy area, and also demonstrate the mechanism of wave-mud interactions and enrich the content of coastal hydrodynamics researches. This research is of great significance in theory and engineering applications.

在淤泥质海岸和河口地区，波浪会引起近底浮泥的运动，浮泥的运动又反过来会影响波浪的传播与变形。以往对波浪与浮泥相互作用的研究多集中于规则波在平底浮泥床面上的运动问题，而对不规则波在非平整浮泥海床地形上运动的研究工作开展较少，同时，在该课题研究中所采用的数值模拟模型计算效率一般较低而难用于实际应用。本项目通过提出和建立一种计算高效且适用于复杂地形浪-泥相互作用模拟的双层深度平均数学模型，结合水槽试验与理论分析方法，系统研究地形变化、不同波要素、水深和浮泥物性参数等众多影响因素下，规则波和不规则波与浮泥的相互作用规律。研究成果对深入认识浮泥区波浪运动特性、揭示浮泥的运动规律以及波浪与浮泥的相互作用机理、丰富和完善海岸动力学的研究内容等方面具有重要的理论意义和工程应用价值。

结项摘要

在淤泥质海岸和河口地区，波浪会引起近底浮泥的运动，浮泥的运动又反过来影响波浪的传播与变形。本课题视浮泥为牛顿流体，基于波浪与浮泥两相流体运动的浅水方程框架，对波浪运动及其与浮泥的相互作用开展了研究。首先，研究了适用于双层深度平均数学模型的满足“静水平衡”条件的界面物理量重构算法，从而扩展了文献中已有的仅适用于单层深度平均数学模型的相应算法。其次，研究了不同控制方程形式对数值计算结果的影响，理论分析和数值计算结果表明SWE-HH与SWE-ZZ在常用近似黎曼算子下必给出一致的数值解。第三，分析得到现有基于中心型近似黎曼算子的单层与双层深度平均数学模型在小时间步长下存在高数值扩散性问题，建立了收敛型数值通量计算方法；与所开发的双层界面重构算法一起，为高分辨率数值研究双层流流动提供了新的有利工具。第四，建立了能统一模拟近海色散与非色散性波浪运动的非静压深度平均数学模型，通过引入近似黎曼算子和非静压项，模型在不依赖于任何破碎波经验模型的情况下能较好地模拟波浪破碎前后的水面变化，这较目前常用的依赖于破碎波经验处理及含多项高阶偏导项（数值处理极为困难）的Boussinesq方程模更方便使用且适用性更广。第五，基于所开发数学模型对波浪与浮泥相互作用规律进行了研究，揭示了复杂地形上波浪与浮泥相互作用过程中水面及界面波的运动特性。以上研究为深入研究浮泥区的波浪运动特性、揭示浮泥的运动规律以及波浪与浮泥的相互作用机理提供理论依据。. 在本项目的资助下，取得了一系列有价值的成果，发表了论文10余篇，其中SCI收录9篇，中文核心论文1篇。协助指导博士生1名，硕士生1名。