河流海岸系统综合水动力学模型研究

论文摘要

波浪、潮流、波生流、河川径流等是河口海岸地区重要的水动力学现象。这些水动力学现象具有不同的时空尺度,但又相互作用、相互影响。建立一个实用的统一理论对这些现象及其相互作用进行描述是非常必要的,也是富有挑战性的。本论文将能精确地反映海域内波动流场的非线性和频散特性、可以应用到潮汐、风暴潮等对河口产生重要影响的近岸水动力模型和能够模拟河道内洪水演进等非恒定流问题的河道水动力学模型进行耦合,结合二维模型和一维模型各自的优势,建立了一个河流海岸系统综合水动力学模型。近岸水动力学模型基于改进的Boussinesq方程。模型中采用了Kennedy等人建议的[1]波浪破碎模型。数学模型的数值求解在交错网格上进行,时间步进采用ADI格式,离散后的方程组用追赶法求解。验证和应用的结果表明,基于Boussinesq方程的近岸水动力学模型具有强大的功能和良好的精度。不仅能够描述近岸波浪传播、变形乃至破碎等现象,同时也能描述波生流现象。河流水动力学模型基于Saint-Venant方程。数值方法采用了Preissman格式。验证和应用的结果表明,河道水动力学模型不仅能够精确地描述河道内孤立波的传播及碰撞,对于钱塘江涌潮的描述也具有非常高的精度。论文利用流量和水位的连续条件,实现了近岸水动力学模型及河道水动力学模型的耦合求解,建立了河流海岸综合水动力学模型。综合水动模型用于研究长江口及口内感潮河道径流与潮流的相互作用,涨潮及落潮过程中水流运动的基本规律。计算得到的各测站水位、流速及流向与观测资料吻合良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 波浪数学模型
• 1.2.2 波生流数学模型
• 1.2.3 河道非恒定流数学模型
• 1.2.4 多维耦合模型
• 1.3 本论文的研究内容
• 第2章 近岸水动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 数值方法
• 2.2.3 边界条件
• 2.3 模型验证及应用
• 2.3.1 波浪在浅滩地形上的运动
• 2.3.2 波浪在离岸防波堤附近的运动
• 2.3.3 沙坝地形导致的裂流
• 2.4 本章小结
• 第3章 河流水动力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 非恒定流数学模型
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 数值方法
• 3.4 模型验证及应用
• 3.4.1 单孤立波的传播问题
• 3.4.2 孤立波的迎撞
• 3.4.3 钱塘江涌潮的数值模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 河流海岸系统综合水动力学模型
• 4.1 引言
• 4.2 控制方程
• 4.3 耦合方法
• 4.4 模型应用
• 4.4.1 参数率定
• 4.4.2 长江口水动力环境的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果