[发明专利]一种淤泥质海岸波生流数值模拟的验证方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种淤泥质海岸波生流数值模拟的验证方法；属于近海水动力模拟及验证技术领域。

背景技术

淤泥质海岸是我国大陆海岸的重要组成部分，长约4000多公里，约占岸线总长度的22％，主要分布在辽东湾、渤海湾、莱州湾及黄海的苏北平原海岸等地。淤泥质海岸地区，已经建成许多重要港口，如天津新港、连云港港等。当前，随着我国海港建设“浅水深用”战略的提出，许多淤泥质海岸大型港口工程纷纷上马，同时许多已建成的老港口也相应扩建，形成的工程量与投资额均极为庞大。淤泥质海岸破波带是近岸水动力变化十分剧烈的区域，波浪破碎带来质量、能量和动量的传输以及水体的紊动，伴随着复杂的波生近岸流系。从上个世纪50年代以来，国内外不少学者已经对波浪作用下的近岸流场进行了深入而细致的研究，但这些研究大多集中在沙质海岸，对淤泥质海岸波生流研究较少。而波生流是近海工程及海岸演变非常重要的动力因素之一，对于岸滩演变、污染物扩散、泥沙运动和航道回淤都有显著的影响，研究淤泥质海岸波生流运动在理论界和工程界有重要意义。

对于淤泥质海岸，波生流研究的最主要难点在于如何进行模型验证，原因在于淤泥质海岸波生流实测资料十分匮乏。首先，淤泥质海岸岸滩平坦，岸坡坡度一般为1/2000～1/500，在实验室内进行比尺物理模型研究十分困难；其次，在岸滩平缓条件下，波浪沿程变形较弱，一般天气条件下，淤泥质海岸现场的波生流较弱，很难观测到，大风浪条件下又因出海危险，难以进行现场测量；最后，对于类似连云港海域的淤泥质海岸，风浪所占比例接近70％，也就是说，大风基本伴随着大浪，实测的流速中包含潮流、风成流和波生流，目前还没有办法从实测资料中分离出波生流。

数值模拟是探讨淤泥质海岸波生流运动规律的有效手段，而模型的验证是数值模拟的基础，因此，如何解决淤泥质海岸波生流验证的难题已经成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种淤泥质海岸波生流数值模拟的验证方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种淤泥质海岸波生流数值模拟的验证方法，验证步骤如下：

步骤一：对计算机数值模拟软件Deflt3D和ROMS进行进行属性值设定用于波生流模型建立基础属性，分别建立Deflt3D波生流计算模型与ROMS波生流计算模型。

波生流数值研究的基础是对波流相互作用机理的认识，目前揭示波浪对水流作用的代表性描述有两种：一是“辐射应力(radiation-stress)”，以Longuet-Higgins(希金斯)和Hasselmann(阿塞尔曼)的研究工作为基础，可以帮助人们理解波浪增减水、破波拍岸、近岸沿岸流以及波流的非线性相互作用；二是“涡流力(vortex-forcerepresentation)”，通过描述水流涡量与斯托克斯漂流相互作用，可以解释朗缪尔环流现象。在此理论基础下，对Deflt3D模型和ROMS模型进行二次开发，在水流运动控制方程中引入不同波生流公式以体现波流相互作用，分别建立相关的波生流计算模式。

步骤二：以沙质海岸条件下的波生流实验所获得的离岸流、沿岸流和裂流数据值分别对建立的Deflt3D波生流计算模型与ROMS波生流计算模型的适用性进行率定和验证；

测试一个建成的理论数学模型，应从三方面进行着重论证：(1)理论的合理性。数学模型的本质在于利用平衡方程描述物理现象，方程中的各项均有明确的物理意义，为了测试模型理论，必须采用实测数据进行验证。(2)模型表现力与通用性。波生流现象是极为复杂的，对外界波浪也十分敏感。随着来波条件的差异，将形成截然不同的流态。因此，所建模式必须能够描述在各种维度、各种来波条件下的波生流场特性。这便要求实测验证资料达到一定数量，并涵盖尽可能多的工况。(3)参数的适定性。数学模型中存在许多不同物理背景下的经验参数，参数取值对模拟结果均有或多或少的影响。在实际海域中，参数往往难以预先确定，这就需要充分了解参数的取值特征，以便在缺少资料的条件下也可得到相对合理的模拟结果。

淤泥质海岸波生流实测资料匮乏，无法对所建波生流模型直接验证，而沙质海岸实测资料相对丰富，因而先利用沙质海岸的沿岸流、离岸流和裂流等经典波生流实验资料对模型的适用性进行验证。在保证所建模型可靠的基础上逐渐过渡至淤泥质海岸，以模拟淤泥质海岸的波生流运动。