專利名稱：粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法，屬于泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力迅速提升，港口航道的建設(shè)和發(fā)展面臨著巨大的需求和機(jī)遇。自然條件好的岸線已經(jīng)得到充分開(kāi)發(fā)，港口航道工程的建設(shè)重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向淤泥質(zhì)海岸和粉沙質(zhì)海岸。由于坡緩水淺，動(dòng)力復(fù)雜，淤泥質(zhì)海岸和粉沙質(zhì)海岸的泥沙回淤問(wèn)題較為突出，給港口航道工程的建設(shè)和維護(hù)帶來(lái)了一定的困難，“淺水深用”也成為工程界主要關(guān)心的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于淤泥質(zhì)淺灘泥沙運(yùn)動(dòng)的研究較多，建港技術(shù)也相對(duì)成熟，如連云港港口等。至于粉沙質(zhì)海岸，在波浪、潮流等動(dòng)力作用下，泥沙易懸易沉，運(yùn)動(dòng)十分活躍，航道經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)驟淤的現(xiàn)象，是工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。而對(duì)于同時(shí)包括淤泥質(zhì)和粉沙質(zhì)泥沙的海域，由于水沙環(huán)境更為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外相關(guān)成果很少，有待于進(jìn)一步研究。例如，位于江蘇連云港的埒子口 灌河口海域，海床底質(zhì)較為復(fù)雜，其中，埒子口以西海域的泥沙顆粒較細(xì)，為典型的淤泥質(zhì)海岸；灌河口附近海域的底床泥沙粒徑略粗，為粉沙質(zhì)海岸。因此，對(duì)于連云港大范圍海域來(lái)說(shuō)，由于淤泥質(zhì)海岸和粉沙質(zhì)海岸并存，水沙運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，是海岸泥沙運(yùn)動(dòng)研究的難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是在考慮淤泥質(zhì)和粉沙質(zhì)泥沙特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)同時(shí)存在海域的泥沙運(yùn)動(dòng)，并利用所建立的泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算懸沙的沉速場(chǎng)。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案—種粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程、懸移質(zhì)輸移擴(kuò)散方程、床面沖淤變化方程；具體如下①水流連續(xù)方程
權(quán)利要求
1.一種粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程、懸移質(zhì)輸移擴(kuò)散方程、床面沖淤變化方程；步驟二，計(jì)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(yīng)力； 步驟三，泥沙數(shù)學(xué)模型的建立和求解以MIKE21為工具，結(jié)合步驟一的基本方程、步驟二的計(jì)算結(jié)果建立泥沙數(shù)學(xué)模型，然后采用有限體積法求解泥沙數(shù)學(xué)模型，計(jì)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(xué)模型驗(yàn)證4-1，采用實(shí)測(cè)中潮資料對(duì)泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水流驗(yàn)證；4-2，采用平均含沙量作為檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)應(yīng)的動(dòng)力條件為典型中潮資料加上年均有效波高波浪場(chǎng)，對(duì)泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行含沙量驗(yàn)證；步驟五，根據(jù)泥沙數(shù)學(xué)模型判定懸沙沉速場(chǎng)5-1，根據(jù)懸沙沉速來(lái)判斷泥沙性質(zhì)當(dāng)沉速大于lmm/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 lmm/s ；5-2，根據(jù)模型圖中潮周期內(nèi)不同沉速線的外包絡(luò)線判斷懸沙沉速場(chǎng)與底質(zhì)分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)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《,Φ + ^Κ],咖+刺_0⑴dtdxdy式中X、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時(shí)間；h為平均水深；ζ為相對(duì)于平均海平面的潮位;UX、Uy分別為χ、y方向上的垂線平均速度；②水流運(yùn)動(dòng)方程dux TT dux TT dux τ δζ Tx ΛΓ (d2ux δ2υλdtdxdydx ρψ+ζ) Iv dx dy )dUv dUv dUvδζ τν(d2Uv d2Uv]dtdx y dydy p(h+C) \ dx2 dy2 y式中P為水體密度；g為重力加速度；Nx、Ny分別為X、y方向的水平紊動(dòng)粘性系數(shù)；f 為科氏參數(shù)；τ χ、τ y分別為波流共同作用下床面剪切應(yīng)力在X、y方向的分量；③懸移質(zhì)輸移擴(kuò)散方程φ + ζ)8] + 9[{Η + ζ)8υΑ + Φ + ΦΛ = _Ρ + φ + + φ (3)^,^^s\ ~ / χ\ ~ / y λdtοχdyοχ _οχ _ dydy式中S為垂線平均含沙量；Dx、Dy分別為χ、y方向的泥沙擴(kuò)散系數(shù)；FS為泥沙沖淤函數(shù)；④床面沖淤變化方程巧=0⑷Ot式中Yd為床沙干密度，nb為海底床面的豎向位移，即沖淤變化量；FS為泥沙沖淤函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法，其特征在于， 步驟二的計(jì)算具體如下(1)懸沙沉速針對(duì)中值粒徑小于63 μ m和含沙量小于10kg/m3的泥沙，關(guān)于沉速與含沙量之間的關(guān)系式
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種粉沙質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法。主要步驟包括步驟一、建立基本方程，所述基本方程包括水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程、懸移質(zhì)輸移擴(kuò)散方程、床面沖淤變化方程；步驟二，計(jì)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(yīng)力；步驟三，泥沙數(shù)學(xué)模型的建立和求解；步驟四，模型驗(yàn)證，包括水流驗(yàn)證、含沙量驗(yàn)證；步驟五，根據(jù)泥沙數(shù)學(xué)模型判定懸沙沉速場(chǎng)。本發(fā)明在考慮淤泥質(zhì)和粉沙質(zhì)泥沙特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建泥沙數(shù)學(xué)模型，可以同時(shí)模擬兩種不同性質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)；不僅如此，利用所建立的泥沙數(shù)學(xué)模型還可以計(jì)算懸沙的沉速場(chǎng)，據(jù)此分析研究區(qū)域的特征和影響因素。
文檔編號(hào)G01M10/00GK102359862SQ20111023101
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者安翔, 張瑋, 徐卓, 李國(guó)臣, 申其國(guó) 申請(qǐng)人:河海大學(xué)