[发明专利]一种小尺度岸滩剖面与大尺度岸线变化的耦合模拟方法

权利要求书

1.一种小尺度岸滩剖面与大尺度岸线变化的耦合模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立对平面近岸动力精确定量描述的波流耦合模型；

S2、建立对近岸底部离岸流精确定量描述的底部离岸流模型；

S3、建立小尺度岸滩剖面演变模型；

S4、利用长周期控制函数集，建立大尺度岸线变化模型；

S5、采用非结构网格上Godunov型有限体积法，求解大尺度岸线变化模型，获取大尺度岸线变化数值。

2.根据权利要求1所述的耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：

S11、建立水动力模块，方程如下：

式中， 为守恒向量；、分别为、方向的对流通量向量；、分别为、方向雷诺应力引起的扩散通量向量；、分别为、方向二次流引起的扩散通量向量；为源项向量；

；；；

；；

；；

；

式中，为水深；、分别为垂直方向平均流速在、方向的分量；为底高程；为降雨强度；为入渗强度；为水平方向的紊动粘性系数，，为比例系数，为卡门系数，为床面剪切流速；、、、为二次流引起的扩散应力项；为重力加速度；为柯氏力系数，，为地球自转角速度，为当地纬度；为风应力，、，为水面风应力拖曳系数；、分别为空气和水的密度；、分别为、方向上水面10m高处的风速分量；、、为波浪辐射应力，由波浪模型提供；、分别为、方向的摩阻斜率，、；其中，h、u、v为应变量；

S12、建立波浪模块，方程如下：

；

；

式中：为波浪传播方向与轴的夹角；为单位水柱体一个波周期的平均波能，，n为波群速度与相速度之比，，为波数，E_r为水滚的能量密度；

S13、耦合S11中的水动力模块与S12中的波浪模块，组成波流耦合模型。

3.根据权利要求1所述的耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

S21、设定波浪破碎紊动强度的线性分布：

；

式中，f_w为紊动转化系数；D_f 为底部摩擦损失的能量，D_f=1/(2π^0.5)ρf_wu³_ord，f_w为波浪摩阻系数，u_ord为波浪近底最大振荡速度；D_r为水滚损失的能量，D_r=2gE_rsinβ/c，β为水滚的倾角；

S22、设定波浪破碎后质量守恒方程：

式中，h_t为波谷处的水深，第2、3项分别表示波浪非线性运动、波面水滚流的时均流量；

S23、设定紊动涡粘系数与破碎能量损失关联式：

；

式中，为时均剪切应力；ν_t为紊动涡粘系数；为时均流速；ρ为流体密度；z为距离底床的高程；

S24、设定海滩剖面为封闭条件下，计算中间层和边界层内时均剪切应力，垂向分布公式如下：

，δ≤z≤h_t

，0≤z≤δ

式中，δ为边界层厚度，δ=0.09( A /k_s)^0.82k_s，其中A为波浪近底水质点振幅；k_s为床面粗糙高度；h_t为波谷面距底床的高程；_s、_b分别为时均波谷面剪切应力和时均床面剪切应力；

S25、设定床面上施加流速无滑移条件下，获取在波谷面上给定时均剪切应力，计算公式如下：

；

式中， 为时均水面高程，H为波高；时均水面高程计算公式如下：

；

S26、耦合前述步骤中的参数，求解床面剪切应力和流速的随时分布数据，方程如下：

；

；

式中，w为垂向流速，下标∞代表边界层上边界处的物理。