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基于FVCOM的浪、流、泥沙模型耦合及应用

吴伦宇  
【摘要】: 对近岸的一些基本海洋现象如潮汐、环流、风暴潮、海浪以及由此衍生的泥沙输运和海底地形变化的研究对海洋工程,环境保护等诸方面都有重要的意义。很多研究表明,这些现象不是孤立存在的,而是存在着较强的非线性作用,因此将它们作为一个整体来进行研究变得非常有必要。模型研究是当今物理海洋研究的一个非常重要的手段,目前耦合模型的情况是二维的多,三维的少;单向耦合的多,双向耦合的少;结构网格的多,无结构网格的少。由于近岸复杂的岸线和地形,选取一套能够很好的拟合岸线的非结构网格的模型来进行耦合研究就显得相当重要了。 本文基于有限体积方法三角网格的水动力模型FVCOM、海浪模型FVCOM-SWAVE、泥沙模型FVCOM-SED,充分总结了当今先进的耦合技术,引进了三维辐射应力,与浪、流、泥沙皆有关的底边界模型,海表面应力模型,地形反馈等机制,建立了一套浪-流-泥沙耦合系统。首先总结了浪流耦合的研究历史和现状,包括理论研究和模型研究。然后通过两个理想实验对模型进行验证,包括 个有角度海岸入射波和一个矩形海湾,第一个实验目的主要在于考察辐射应力对水动力模型的影响,第二个实验主要是考察相互作用模型,验证其中的主要耦合机制,并浅谈浪流泥沙共同作用下的海湾动力系统。在确保基本机制和程序编程无误之后,通过长江口杭州湾海域一次风暴潮过程,考察了浪、流、泥沙之间的相互作用并对模型的结果进行了解释,说明浪对流,流对浪,浪对泥沙悬浮以及浪沙对风暴潮水位的影响。由于风暴潮下的观察资料缺乏,继这次实验,结合渤海石油平台的风浪流同步观测资料,模拟了冬季一次大风过程,一是考察浪流之间的相互作用,二是通过实测资料来对模型进行检验。 矩形海湾的试验中,得出主要结论是在地形变化显著的海区,考虑地形反馈以后流场有了显著的改变。在长江口-杭州湾的模拟中,指出在某些区域波浪对泥沙浓度影响比单纯考虑流高达一个量级,辐射应力对风暴潮水位起促进作用,浪流相互作用的底边界层的引入也起了促进作用,风暴潮计算应该同时考虑浪、流、泥沙之间的相互作用。在渤海的实验中,通过对BZ26平台的对比,水位模拟耦合以后与观测更接近,波浪由于该点流较弱,浪流相互作用不明显,但仍能看出模拟的波高随潮流的周期性变化。两个实际海区的实验都说明了潮位的变化只是在浅水区对波浪的影响较大,深水影响不大。流场对波浪模拟的影响在于多普勒效应以及流场时空的变化对绝对频率的影响,一般说来,波流同向的时候,波高受到抑制,波流反向的时候,波高增大。水深场的变化直接影响波参量如波速、摩擦力等的计算从而影响了波浪的传播与耗散。


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