两相紊流数学模型在岸滩演变数值模拟中的应用

The study of sediment transport for the prediction of beach evolution is important but difficult in coastal engineering. Present study aims to develop a sediment transport model under unsteady flow conditions through improving a numerical method for two-phase turbulent flows. Boundary conditions and key parameters for unsteady flows are derived from the governing two-phase equations. The important effects of acceleration, phase lag, particle size, and the wave boundary layer development history are comprehensively considered to represent the real physics process. Then two-phase turbulent model is expect to be advantageous under complex hydrodynamic conditions, as the impacts of nearshore nonlinear waves, breaking waves, combined wave and current action can be considered. Prediction accuracy of coastal sediment transport and beach evolution would be improved in this study.

岸滩演变过程的研究在海岸工程中具有十分重要的意义。岸滩演变过程研究中的关键科学问题是近岸泥沙在波浪动力作用下的运动规律。本项目旨在完善水沙两相紊流数学模型并将其应用于研究波浪作用下的泥沙运动，进而预测岸滩演变规律。研究内容包括：在两相紊流控制方程的基础上，探究适合于近岸波浪作用下非恒定问题的泥沙边界条件的提法，考虑加速度、相位差、颗粒属性、以及波浪边界层的发展过程在非恒定流动输沙中的重要作用；完善水沙两相紊流数学模型，使其可用于描述复杂水动力条件下泥沙运动；深入研究近岸非线性波浪、破碎波浪作用下泥沙运动的规律，给出水动力参数与泥沙运动、床面形态等之间的关系。该项研究取得的成果可为提高海岸泥沙运动模拟以及岸滩演变预测的精度提供重要途径。

近岸复杂水动力条件下的泥沙输运是岸滩演变的基础，在海岸工程中具有重要的意义。本项目综合采用理论分析和数值计算方法，对非对称往复流等复杂水动力条件下的近岸泥沙运动规律进行了深入的研究。通过理论分析，求解了近岸非恒定输沙中侵蚀深度等关键物理量，提出了非对称往复流输沙层厚度的理论公式，定量分析了非对称往复流条件下的瞬时挟沙能力和输沙率的变化规律。本项目构建了一套完善的水沙两相紊流数学模型，应用模型研究了非恒定动力作用下泥沙的侵蚀与落淤过程，探讨了往复流作用下底床沙纹对水沙运动的影响，分析了加速度、相位差以及波浪边界层的发展过程在非恒定流动输沙中的重要作用。项目建立了水沙相间相对运动速度的计算方法，构建了一套适用于较大尺度输沙问题的近岸水沙混相流模型，应用模型模拟了挖槽冲淤和非规则破碎波下的岸滩演变过程，提高了较大尺度近岸输沙问题数值研究的精度与效率，为后续更深入地研究近岸区域复杂水动力环境下的实际岸滩演变问题奠定了基础。