三维非结构波流耦合数值模型建立及应用研究

论文摘要

波流相互作用对水动力、水环境有重要影响,许多学者对这一领域进行了研究。采用非结构网格可以很好拟合复杂的岸线边界及对重点研究区域进行局部加密。目前基于非结构网格的完全波流耦合模型研究较少。本文在前人的研究工作基础上,建立了非结构波流完全耦合数值模型,并对建立的模型进行了一系列验证及应用研究。建立了一个并行的非结构网格波浪数值模型,模型遵守波能守恒方程,考虑了浅水效应、折射、波能耗散等影响因素。对建立的波浪模型与非结构有限体积水流数值模型进行完全耦合,耦合过程包括三维辐射应力、斯托克斯漂流、波浪耗散对紊流方程的作用等。通过几个例子对建立的模型进行了验证,着重研究了“卡特里娜”飓风引起的风暴潮,模拟的波要素和水位与实测值吻合较好。通过几组试验研究了波浪效应对水位的影响,试验表明辐射应力、波浪导致的表层应力对水位影响较大,波浪导致的底层应力对水位影响较小,模型包含波浪的作用对预报风暴潮引起的水位变化至关重要。通过拉格朗日方法研究了渤海冬夏季环流及潮、风、海气热交换和入海径流对渤海环流的影响。研究表明：粒子输移存在明显的三维结构；三个湾内水体输送均较小、表底层相差不大；渤海夏季环流强度较冬季强；由风引起的拉格朗日水体输送对渤海环流影响较大；温盐环流对水体输送的影响主要在夏季,在冬季,影响可以忽略；河流只对河口附近环流结构有影响；夏季,与热盐、风相比潮流对拉格朗日水体输送贡献较小；只考虑单分潮的作用将不能反映渤海的实际环流情况。建立了三维溢油模拟系统用于预报海上溢油的轨迹和最终归宿。模型包括水流与输移-归宿两个模块。水流模块采用非结构有限体积、波流耦合数值模型。在输移-归宿模块中采用粒子追踪法模拟油膜的输运。油的迁移过程包括对流、扩展、紊动扩散、附着在岸边、沉降到海底等；转化过程包括挥发、溶解、乳化等。应用建立的溢油模拟系统对渤海海峡发生的突发性溢油事故进行了模拟。对大伙房水库的平均滞留时间、水龄及水质进行了数值模拟研究。研究表明：在高、平均、低流量情况下,从上游释放的示踪物质滞留时间分别为125d、236d和521d;水龄随着上游流量变化而变化;在垂向上表层水龄较底层大,越往下游表底层水龄相差越小；水库中由温度变化引起的密度流对水龄分布具有重要影响,是引起表底层水龄分布异同的主要原因；通过敏感度分析检验了参数对水质模型的影响,模型成功再现了水质变量在时间和空间上的分布。模型可为水库的工程设计及管理提供帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 三维海洋模型研究进展
• 1.2.2 拉格朗日方法研究海洋水体的输运进展
• 1.2.3 波浪及波流耦合模型研究进展
• 1.2.4 溢油模型研究进展
• 1.2.5 水质模型及水体输运时间尺度研究进展
• 1.3 本文的研究工作
• 2 非结构波浪数值模型建立及验证
• 2.1 非结构波浪数值模型描述
• 2.1.1 线性方程及定义
• 2.1.2 波能方程及波浪谱
• 2.1.3 方程源项及波流耗散项
• 2.2 非结构波浪数值模型求解
• 2.2.1 非结构网格设计
• 2.2.2 离散方法
• 2.3 非结构波浪数值模型并行化处理
• 2.4 非结构波浪数值模型验证
• 2.4.1 波浪折射
• 2.4.2 有限风区波浪成长
• 2.4.3 流对波浪的影响
• 2.4.4 水深变浅引起的波浪破碎
• 2.4.5 有限风区浅水湖泊波浪场模拟
• 2.4.6 卡特里娜飓风作用下墨西哥湾的波浪场模拟
• 2.5 小结
• 3 三维非结构波流耦合数值模型建立及验证
• 3.1 三维非结构波流耦合数值模型描述
• 3.1.1 水流模块
• 3.1.2 波浪模块
• 3.1.3 网格布置及方程离散
• 3.1.4 边界条件及耦合过程
• 3.2 非结构波流耦合数值模型验证
• 3.2.1 斜坡上的回流模拟
• 3.2.2 卡特里娜飓风在墨西哥湾引起的风暴潮模拟
• 3.3 小结
• 4 渤海环流及影响因素数值模拟研究
• 4.1 数值模型描述及配置
• 4.1.1 数值模型描述
• 4.1.2 数值模型配置
• 4.2 数值模拟结果
• 4.2.1 渤海潮汐及潮流
• 4.2.2 渤海温盐场
• 4.2.3 冬夏季表层环流结构
• 4.3 不同影响因素对渤海环流的影响
• 4.3.1 对冬季表层环流影响
• 4.3.2 对夏季表层环流影响
• 4.3.3 冬夏季表层环流对比
• 4.4 河流对渤海环流的影响
• 4.5 小结
• 5 渤海海峡溢油数值模拟研究
• 5.1 三维溢油模拟系统建立
• 5.2 模型验证及与差分模型比较
• 5.2.1 圆形平底地形下风引起的表面重力波
• 5.2.2 理想曲线地形下的淡水排放
• 5.2.3 理想曲线地形下的溢油
• 5.3 模型在渤海海峡溢油事故中的应用
• 5.3.1 事故概况
• 5.3.2 模型建立及条件
• 5.3.3 模拟结果及分析
• 5.4 小结
• 6 大伙房水库水动力、水质数值模拟研究
• 6.1 大伙房水库概况
• 6.2 模型描述及模型配置
• 6.2.1 水质模型描述
• 6.2.2 水动力-水质模型耦合描述
• 6.2.3 输运时间定义
• 6.3 模型设置及验证
• 6.3.1 水位验证
• 6.3.2 水温验证
• 6.3.3 水质模型参数敏感度分析
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 水库水体滞留时间
• 6.4.2 水库水体水龄
• 6.4.3 水库水体水质
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介