非结构网格下的三维潮流泥沙数值模拟

【摘要】：浩瀚无垠的海洋是一个巨大的物质资源和能量宝库,蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源、油气资源与水资源等等,因而成为人类发展经济并从事相应科学技术开发的重点领域。为了开发利用海洋,解决海岸与河口地区的工程建设、航道疏浚、港口淤积等等一系列问题,首先要了解该工程地区的水动力特性,因此,较为准确的模拟工程区域的水动力场至关重要；其次,应该建立较为合理的三维的泥沙输移与海床演变模型,以此对工程区域进行泥沙数值模拟。本文使用基于有限体积法的非结构化网格三维水动力模型,分析研究了宁波舟山近海的三维水动力特性,并在此基础上对这一区域的三维水动力场、三维泥沙输移与海床演变进行了数值模拟。 本文首先根据浙江近海的潮汐特性,并考虑已有的实测潮位站点位置,建立了宁波舟山及其近海海域内的三维水动力数学模型,采用Koutitas公式计算这一区域内海底的摩阻系数,之后利用计算区域内的实测流速流向资料进行了模型验证。其次,在FVCOM模型(2.7.1)原有悬移质泥沙运动的基础上,采用Meyer-Peter公式(1948)添加了推移质泥沙运动,由此建立了一个三维全沙数学模型。模型中沿用FVCOM中对泥沙分类的多组分方法,即按照中值粒径和有无粘性进行分类。悬移质泥沙的计算采用浓度扩散方程,推移质泥沙用于计算底质表层泥沙的运动和变化。利用已建立的三维水动力场,将本全沙模型应用于宁波舟山及其近海海域,模拟了这一区域的泥沙运动和海床演变。 另外,本文利用FORTRAN程序语言编写了一个关于海岸工程数值模拟的自动化程序。程序能够自动化实现海岸工程数值模拟的准备工作,包括海岸线的处理、海岸与近海工程的定位与自动添加、以及三角形网格自动剖分等；数值模拟部分借用了FVCOM模型中的水动力与泥沙模块,并将其修改为便于进行自动化处理的三维潮流泥沙数值模型；数值模拟结束之后,程序能够自动进行新建工程前与新建工程后的水动力对比、泥沙冲淤对比等评价指标的计算。 通过计算域内多个潮位站和海流站的实测资料验证表明,流场的计算结果与实测符合良好,模型可用于三维污染物和泥沙输移计算。通过计算域内的悬沙浓度验证和金塘水道的冲淤变化验证表明,改进的三维全沙数学模型是合理的,能够较好的模拟潮流作用下的泥沙运动。通过以宁波市海岸带新建若干类型海岸工程为例,本文编写的数值模拟自动化程序能够自动实现新建海岸工程的添加和快速建模,进行数值模拟和评价指标的自动计算,表明这种自动化方法是可行的。