浅海潮流振荡边界层动力特性及悬沙垂直分布研究

关于浅海潮流震荡边界层动力特性及悬沙垂直分布问题，是物理海洋学、河口海岸学重要的科学命题，是海岸河口及环境工程应用的理论基础，对于浅海沉积动力学、地貌演化、物质循环和陆海相互作用等方面，具有重要的科学意义。但长期以来，该研究一直沿用传统对数边界层的理论，近年来随着我国海岸海洋工程建设项目的增多，能源、空间等资源的空前紧张，以及海底资源的勘测和开发，迫切需要对此有更深刻、更全面的认识。本项目基于变量分离原理和紊流理论，通过引入加速系数和冲淤系数，摄动求解潮流速及悬沙垂直分布近似解，揭示浅海潮流震荡边界层紊动剪应力、流速等动力要素和非平衡悬沙浓度垂直分布周期性的变化规律，分析底床摩阻特性、摩阻流速和粗糙高度等剖面参数的影响因素，丰富并完善潮流震荡边界层的理论体系，为浅海潮流泥沙数学模型提供更为科学的依据，为进一步研究浅海潮流波浪相互作用及其对泥沙输运的影响打下良好的基础。

在浅海潮流震荡边界层动力特性研究上，国内外仍广泛应用恒定流条件下的对数边界层理论，剪切流速通过曼宁系数与水深平均流速建立关系，未考虑潮流的加减速效应，导致剪切流速、粗糙高度的估算及底床阻力计算出现较大的偏差，影响潮流及泥沙运动的模拟精度。本研究基于潮流动力过程特征结合紊流基本理论，得到了浅海潮流紊动剪切应力分布及流速剖面公式，首次提出了底床阻力及剪切流速与水深平均流速及其加速度之间的关系式，揭示了浅海潮流的动力及运动要素垂直分布规律与潮流加减速之间的联系。研究结果可应用于二维平面潮流数值模型中，并有效提高模拟精度。.目前国内外悬沙输运数学模型存在的主要问题是模型系数的不确定性，模拟计算时具有一定的主观随意性，特别在近海悬沙模拟计算中更是如此，其中的关键是非平衡悬沙垂直分布问题。本研究通过分析扩散方程的边界条件，建立了新的扩散系数表达式，提出了简洁实用的悬沙平衡剖面公式；基于变量分离原理分解了三维悬沙输运方程，通过引入冲淤系数，建立了二维平面悬沙输运方程和一维垂向扩散方程；应用摄动法得到了非平衡悬沙剖面的近似解，揭示了非平衡悬沙浓度垂直分布的周期性变化特征；提出了冲淤函数的理论表达式，首次给出了恢复饱和系数的计算公式，明确了冲淤系数、恢复饱和系数和水流挟沙能力及含沙量之间的联系；同时改进了张瑞瑾等提出的水流挟沙力公式，使其能更有效地应用于浅海悬沙输运的模拟计算。.通过研究，加深了对浅海海域潮动力及悬沙分布的认识，定量给出了潮流及悬沙数学模型中的关键系数，使潮流及悬沙的数值模拟更为科学合理。