沉積物-水界面層是沉積層與上覆水體間進(jìn)行物理、化學(xué)、生態(tài)作用的主要場所,其中的沉積物-水界面是海洋物質(zhì)輸運(yùn)和交換的重要界面。近海與河口區(qū)域是陸地與海洋交互的重要過渡區(qū)域,河道淡水經(jīng)過河口、近海到達(dá)遠(yuǎn)端的大陸架,近海區(qū)域與河口區(qū)域既有共性又有其特殊性。近海區(qū)域鹽度時(shí)空變化幅值較小,潮汐作用顯著,沉積層與上覆水體間以壓力梯度、剪切應(yīng)力為主要驅(qū)動(dòng)力。河口區(qū)域除了受到潮汐作用,還受到河道徑流、鹽度梯度的影響。近海區(qū)域與河口區(qū)域沉積層與上覆水體間物質(zhì)輸運(yùn)與交換過程受到兩者間水動(dòng)力環(huán)境的影響顯著。當(dāng)前,現(xiàn)場觀測以及物理實(shí)驗(yàn)受制于技術(shù)、作業(yè)條件限制,對潮流、鹽度梯度作用下沉積物-水界面層水動(dòng)力特性的研究仍十分有限。因此,探討近海與河口區(qū)域沉積層與上覆水體間水動(dòng)力機(jī)制對海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)理論研究和預(yù)測預(yù)警有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文根據(jù)從研究動(dòng)力相對簡單的近海水域到復(fù)雜的河口水域,從研究單純上覆水體水動(dòng)力到沉積層與上覆水體間水動(dòng)力的思路,開展了潮流、鹽度梯度變化作用下沉積物-水界面層的水流運(yùn)動(dòng)過程數(shù)學(xué)模型的研究,探討了其過程中沉積物-水界面層的水動(dòng)力特性。主要的研究工作和成果如下:(1)基于非恒定雷諾平均Navier-Stokes方程,采用了混合網(wǎng)格對不規(guī)則結(jié)構(gòu)物截面以及不規(guī)則底床變化進(jìn)行局部精細(xì)網(wǎng)格劃分,建立了近海水域潮流運(yùn)動(dòng)小尺度精細(xì)模型。通過與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證,并應(yīng)用于海底開挖工程的水流運(yùn)動(dòng)模擬,結(jié)果表明;所建立的潮流運(yùn)動(dòng)小尺度精細(xì)模型能夠合理描述潮流運(yùn)動(dòng)的水流要素特性。水流經(jīng)過基槽時(shí)流速減小50%~60%,在漲急、落急的階段,基槽內(nèi)均存在渦旋,渦旋發(fā)生于背水坡一側(cè)。而在迎水坡一側(cè)水流發(fā)生強(qiáng)湍動(dòng),湍流粘度和雷諾剪切應(yīng)力較大。漲、落潮過程中渦旋和強(qiáng)剪切應(yīng)力的作用,推斷基槽工程發(fā)生“北厚南薄”沖淤現(xiàn)象的動(dòng)力影響因素。(2)基于具有多孔介質(zhì)性質(zhì)的雷諾平均Navier-Stokes方程及雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程,為了體現(xiàn)沉積層內(nèi)湍動(dòng)效應(yīng)引起的非線性作用,在動(dòng)量方程內(nèi)加入Darcy-Forchheimer修正項(xiàng),采用全水分層計(jì)算方法,將空氣層、上覆水體層與沉積層均作為流體域,建立了近海區(qū)域潮流作用下沉積物-水界面層水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。通過與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,對比了不考慮沉積層影響與考慮沉積層影響的水動(dòng)力要素,結(jié)果顯示:所建立的沉積物-水界面層水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型能較好地模擬近底層的流速分布。相比較于達(dá)西項(xiàng),DarcyForchheimer修正項(xiàng)更能夠表現(xiàn)沉積物-水界面層的湍動(dòng)效應(yīng)。沉積物-水界面層的湍動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率、湍動(dòng)能生產(chǎn)率等湍動(dòng)特性隨潮流具有周期性變化,沉積物-水界面的動(dòng)量交換以湍動(dòng)擴(kuò)散作用為主,由此可見潮流運(yùn)動(dòng)對沉積物-水界面層的水動(dòng)力特性變化有直接作用。(3)基于具有多孔介質(zhì)性質(zhì)的雷諾平均Navier-Stokes方程和鹽分輸運(yùn)方程,建立河口區(qū)域小尺度精細(xì)鹽水入侵運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬了物理模型無徑流無潮、無徑流有潮鹽水入侵運(yùn)動(dòng)過程,結(jié)果表明鹽水入侵運(yùn)動(dòng)的水流要素及形態(tài)特征與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及前人已有研究成果吻合,所建立的河口區(qū)域鹽水入侵運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型能夠合理模擬潮汐、鹽度梯度驅(qū)動(dòng)下的鹽水入侵運(yùn)動(dòng)過程。探討了鹽水入侵頭部的水動(dòng)力特性,得到了剪切力梯度變化是鹽水入侵頭部垂向混合作用強(qiáng)的主要原因。(4)應(yīng)用河口區(qū)域鹽水入侵運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬了上、下游邊界具有恒定鹽度情景下沉積物-水界面層的水流運(yùn)動(dòng)過程。研究結(jié)果表明:與近海區(qū)域不同,在河口區(qū)域內(nèi)流速垂向結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。在漲潮階段,在沉積層表層具有明顯的鹽度間斷層,而且鹽度間斷層的位置隨時(shí)間越往沉積層下層。在落潮階段,沉積層與上覆水體間鹽度梯度小,沉積層表層不存在鹽度間斷層。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TV148;P731.2
【部分圖文】：

海底邊界層被定義為速度達(dá)到上覆水體來流平均流速的 99%所處水層到海床的區(qū)域，包括對數(shù)層和粘性亞層；沉積物-水界面是指海床與海水的交界面；沉積物表層是指沉積物-水界面以下0.5m深的區(qū)域。沉積物-水界面層結(jié)構(gòu)如下圖1-1所示，其中SWIL（Sediment-WaterInterfaceLayer）表示沉積物-水界面層；IPL（ImpermeableLayer）表示不可滲透沉積層；LLL（LogarithmLawLayer）表示對數(shù)層；VSL（ViscositySublayer）表示粘性亞層；SSL（SurficialSedimentaryLayer）表示沉積層表層；OWL（OverlyingWaterLayer）表示上覆水體層；BBL（BenthicBoundaryLayer）表示海底邊界層；SL（SedimentaryLayer）表示沉積層；SWI（Sediment-Water Interface）表示沉積物-水界面。圖 1-1 沉積物-水界面層結(jié)構(gòu)示意圖沉積物-水界面層是水流、波浪和湍流能量的主要耗散地，也是熱量、溶質(zhì)和顆粒物

第一章 緒論介質(zhì)的水流運(yùn)動(dòng)已被廣泛研究，并且相繼出現(xiàn)了不同的方法，水流運(yùn)動(dòng)[71]。微觀、宏觀方法的區(qū)別歸結(jié)于對多孔介質(zhì)內(nèi)不同孔介質(zhì)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)受孔隙兩旁的固體骨架結(jié)構(gòu)限制。當(dāng)孔隙足湍流產(chǎn)生的渦繼續(xù)發(fā)展，將能量傳遞到更小尺度的渦，此時(shí)架結(jié)構(gòu)影響較小，湍流得以維持，其水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和自由流體小時(shí)，孔隙尺度不能夠滿足湍流產(chǎn)生的渦繼續(xù)發(fā)展，渦會急速受固體骨架結(jié)構(gòu)影響大[72]。

始的或者上一次計(jì)算得到的速度( )、( )，確定動(dòng)量方程壓力場。對于 SIMPLE 方法和 SIMPLEC 方法，采用假定的于 SIMPLER 則由已知的速度場通過求解壓力 Poisson 方程離散形式的動(dòng)量方程獲得新的速度值 、 。壓力修正方程，得到壓力修正值 ′，要求與 ′相應(yīng)的 、 能續(xù)方程。速度修正值。在 SIMPLE 方法和 SIMPLER 方法中， =在 SIMPLEC 方法中， = ( )， = /( ∑用下列速度、壓力值作為開始下一迭代計(jì)算的初始值。SI + )、 + ′ ；SIMPLEC 方法：( + )、( + 法：( + )、( + )。

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本文編號：2810657