涡粘性模型和对流项差分格式对溶质输运模拟精度影响研究

紊流中的溶质输运和生化反应过程与流场的紊动结构密切相关，对溶质输运、化学反应和微生物生灭等过程进行模拟时能够达到的精度又与所采用的数学模型和差分格式有关。高精度的数值模拟计算方法能够给出不同设计方案下流场内溶质的掺混、输运过程和微生物消长的大量细节，可以快捷、准确地对设计方案的运行效率作出合理评判。数值模拟中的不同处理方法，如采用不同的紊流模型、输运方程差分格式等，对输运和反应过程的模拟精度都产生影响。本文采用不同的涡粘性模型和对流项差分格式的组合计算了输运过程结果，并与实测资料进行对比，分析了不同模型组合对溶质输运过程模拟结果精度的影响，以此为依据提出了计算精度较高的模拟方法。     

海洋长期物质输运理论模型和数值模拟Ⅰ.理论模型

本文把海洋长期物质输运效果看作是涡闭运动、潮波运动和大环流三类机制共同作用的总和，寻找潮波 定常为描述潮波对海洋长期物质输运的效果，同时认为涡团运动主要是潮波运动的空间不均匀造成的。提出了潮流二阶相关的概念，延拓了湍流二阶闭全的理论。建立了基于潮流二阶闭合的海洋长期物质输运动力学方程。在典型海区进行了数值模拟，通过模拟的结果匀验充二阶闭合的因子。     

波浪潮流共同作用下长兴岛海区二维悬沙输运数值模拟研究

根据近岸地区波浪、潮流与泥沙运动的规律,把波浪运动概化为在潮周期中具有时均意义的波浪流分布场,将波浪辐射应力以及波流底部剪切应力耦合到潮流运动方程和悬沙输运方程中,建立了非结构网格下近岸波浪和潮流共同作用下的二维悬沙输运数值模型。时间离散采用欧拉向前格式,空间离散采用有限体积法的显式格式。将模型应用于矩形海湾实验和大连长兴岛附近海区悬沙冲淤过程的实际算例。结果表明:波浪对潮位影响很小,但是对近岸流速有较为明显的影响;波流共同作用对近岸泥沙浓度影响比单纯考虑潮流作用可提高40%～100%的幅度。     

海洋长期物质输运理论模型和数值模拟I·理论模型

本文把海洋长期物质输运效果看作是涡团运动、潮波运动和大洋环流三类机制共同作用的总和。寻找潮波运动的定常参量来描述潮波对海洋长期物质输运的效果,同时认为涡团运动主要是潮波运动的空间不均匀造成的。提出了潮流二阶相关的概念,延拓了湍流二阶闭合的理论。建立了基于潮流二阶闭合的海洋长期物质输运动力学方程,在典型海区中进行了数值模拟。通过模拟的结果校验潮流二阶闭合的因子。     

一种低耗散、无伪振荡的实用差分格式

探寻一种优化的差分格式一直是计算流体力学与计算传热学中的热门课题，本文在分析SOUCUP格式的基础上，将二阶迎风格式和中心差分格式进行加权得到了WSUC格式，分析表明，WSUC格式具有整体二阶空间精度，且半离散WSUC格式具有总变差有界性，因而格式可以抑制伪振荡，另外还证明了WSUC格式是无条件对流稳定的，两个典型算例的结果表明，WSUC格式的数值解的精度较SOUCUP格式有了显著的提高，而计算量没有明显增加。     

基于ENO格式的一维水击波数值模拟

选用近年来广泛应用于空气动力学和溃坝水力学的本质无振荡ENO格式,并采用平均通量差分分裂法对一维水击模型进行数值模拟,计算结果与解析解进行比较后表明:数值解在光滑区具有较高精度,数值耗散性小;在间断附近没有出现虚假数值振荡,与解析解符合较好,200 s与20 s计算结果基本保持一致。证明ENO格式稳定性能好,精度高,能够很好地模拟水击波的演进过程。     

二维浅水域潮流数值模拟的ADI—QUICK格式

本文采用ＡＤＩ－ＱＵＩＣＫ有限差分格式，用单一正交网格系进行空间离散，对二维浅水流动方程和污染物对流－扩散问题进行数值模拟。方法具有高阶精度，不呈现数值振荡，不带有可感受的数值衰减，计算过程稳定，计算方法简便等优点。本文以大连湾海域为实例，计算了Ｍ２－分潮流动规律。基于ＡＤＩ－ＱＵＩＣＫ格式编制的ＦＯＲＴＲＡＮ程序对其它的浅水海域和河口的流动问题具有普遍的适应性。     

高速公路交通事故和干涉车流波的数值模拟

本文建立了一种交通流数学模型的高精度、无振荡差分格式，它能够很好地模拟高速公路的交通事故引进的冲击波的传播以及干涉作用所引起的冲击波对排队消散的影响。     

二维浅水域潮流数值模拟的ADI－QUICK格式

本文采用ＡＤＩ－ＱＵＩＣＫ有限差分格式，用单一正交网格系进行空间离散，对二维浅水流动方程和污染物对流－扩散问题进行数值模拟。方法具有高阶精度，不呈现数值振荡，不带有可感受的数值衰减，计算过程稳定，计算方法简便等优点。本文以大连湾海域为实例，计算了Ｍ２－分潮流动规律。基于ＡＤＩ－ＱＵＩＣＫ格式编制的ＦＯＲＴＲＡＮ程序对其它的浅水海域和河口的流动问题具有普遍的适应性。     

圆柱尾迹流场中横向振荡翼型绕流的数值模拟

该文数值模拟了静止圆柱尾迹中横向振荡翼型绕流的涡结构、力及频谱特性,揭示前方尾迹流场对振荡翼绕流特性的影响，以了解鱼类游动时自主利用前方流场有利干扰的流体力学机理。研究表明圆柱尾迹的影响可导致翼型前缘涡脱落模态发生变化；翼型尾迹的频谱特性更加复杂;在一定的参数下翼型阻力系数可以整体下降。     

长江口潮流不对称时空分布特征

河口地区的潮流不对称特性对近岸的泥沙输运、地貌改变有着很大的影响。但由于长期且高频的流速或流量数据较难获取,潮流不对称特性的研究较少。利用二维水动力数学模型,模拟长江大通以下感潮河段1 a的动力过程,研究长江口潮流不对称的时空分布规律。结合非稳态调和方法和偏度方法,分析长江口涨落潮流速不对称和涨落憩历时不对称趋势,并进一步分析长江口的粗、细颗粒泥沙运动趋势。研究结果表明:落憩历时更短,有利于细颗粒泥沙向陆运动;径流对落潮流流速的增强作用导致长江口落潮流速大于涨潮流速,有利于粗颗粒泥沙向海运动。研究成果对于明确长江口泥沙运动趋势及潮流不对称的影响有一定参考价值。     

博贺湾海域悬沙输移机制分析

根据博贺湾海域大潮期间的水文泥沙实测资料,采用悬沙通量机制分解法将悬沙净输移通量分解为多个动力项,并分别从平流输沙、潮泵输沙和垂向净环流输沙三方面分析了悬沙输移机制。结果表明:博贺湾海域大潮期间拉格朗日余流基本沿涨潮方向,离岸越远,余流值越大,欧拉余流大小与拉格朗日余流相近,斯托克斯余流接近于零;平流输沙在悬沙净输移中占主导作用,其中欧拉余流输沙作用方向与涨落潮优势流相关;博贺湾海域潮泵效应输沙作用不强,潮泵作用由涨落潮潮流和含沙量在潮周期的不对称性引起;垂向余环流输沙作用很弱,垂向净环流输沙和拉格朗日余流和含沙量的垂向分布有关。     

潮滩围垦对近海潮流及污染物输移的影响研究

为研究潮滩围垦对潮流和污染物输移的影响,基于二维嵌套的水动力水质模型,以通州湾为例分别模拟了不同潮滩围垦工程前后的潮流场及污染物浓度场,并用实测资料对模型进行验证,据此分析潮滩围垦作用下的流速变化和以COD为污染指标的物质输运特征。研究结果表明:通州湾围垦工程具有一定的阻水作用,且在围垦一、围垦二的堤头出现了局部挑流现象,其余海域的流速流向基本没有变化;潮滩围垦阻碍了通州湾南侧海域高浓度污染物的输移扩散,改变了该海域的污染物浓度场,且随着围垦范围的扩大,局部污染物浓度有所增加。综上所述,潮滩围垦改变了潮滩地形、水动力环境特征和污染物输移扩散能力,进而影响到潮滩的水文状况和水质环境。     

海上风电桩基局部冲刷试验研究

风电桩基既承担风机自身荷载,又受到叶片转动的侧向压力,桩基稳定性至关重要。海上风电桩基不仅受潮汐双向水流和波浪共同作用的影响,而且桩基尺度介于通常的桥墩和码头桩基之间,局部冲刷具有一定特殊性。通过建立1∶60的正态模型,研究了洋口海域海上风电桩基在波浪、潮流及波流共同作用下的局部冲刷。结果表明:潮流是控制该海域桩基局部冲刷的主导因素;往复流作用下的冲刷坑形态呈椭圆形,最大冲刷深度约为恒定流的80%;当波流共同作用时,由于桩前波浪振荡水流的作用,泥沙较水流作用时更易起动,局部冲刷显著增强,最大冲刷深度为潮流和恒定流作用下的2.0与1.7倍;韩海骞公式计算值按照系数0.75折算后与波流作用下的桩基冲刷深度试验值较为吻合。根据试验结果,建议对桩基周边局部冲刷坑进行抛石防护,确保海上风机的安全稳定。     

江苏沿海潮流数值模拟与潮流能估算

潮流能是一种海洋可再生能源,具有广阔的应用前景。通过数值模拟方法,对江苏沿海的潮流能分布进行估算。首先建立了江苏沿海平面二维潮流数学模型,并利用多次现场实测资料进行验证;基于数学模型计算结果,分析了江苏沿海的潮流场特征;其次,利用准调和分析方法对15 d潮流模拟结果进行调和分析得到6个分潮调和常数,并继而得到最大可能流速和潮流能流密度;最后,利用估算方法对海区的潮流能进行了估算。研究结果表明,江苏沿海燕尾港以南水域平均潮流能流密度相对较高,其中废黄河口附近海域、苏北辐射沙洲水道区域潮流能最为集中,平均能流密度最大值为700~1 200 W/m2,理论上具有较高的开发与应用价值。     

NUMERICAL SIMULATION OF THE TIDAL MOTION AND SUSPEND EDSEDIMENT TRANSPORT IN THE RADIAL SANDBANK AREA OF THE SOUTHERN YELLOW SEA

A coupled 2-D numerical model for hydrodynamic-sediment transport was established and applied to simulate the tides, tidal currents and sediment movement in the submarine Radial Sandbank area of the southern Yellow Sea.With a high-resolution topography dataset used in the model,the simulation reproduced a fine-structured current field and erosion-siltation distribution. The modeled results show that,in the area of Radial Sandbanks, reversing tidal current and seabed erosion occurs within troughs while tidal current with more rotary feature and deposition occurs above sandbanks,which indicates the tidal-induced formation of the Radial Sandbanks. During a tidal period, associating with the variation of current speed, erosion alternates with siltation. The seabed deformation depends on the relative strength of erosion and siltation in a tidal period.     

黄海辐射沙洲形成发育潮流数学模型

本文利用欧拉－拉和朗日观点，提出了一种改进型双步全隐有限差分方法，提高了数值计算精度，并建立了黄海辐射沙洲海域长时间序列潮流数学模型，论文以数学研究手段，应用Ｔ．Ｏｆｆ的潮流沙脊学理论，对辐射沙洲海域潮流运动力特征进行多目标分析和研究，初步示了潮流是形成发育黄海辐射沙洲的主要动力因素，潮能率、潮流流速分布的不同决定了辐射沙洲南北沙脊、深槽平面形态分布的不同。     

黄河口海洋动力特性与泥沙的输移扩散

本文首先对黄河口潮流、余流、风暴潮等海洋动力进行了分析，在此基础上进一步分析了黄河口泥沙的输移方向与数量，指出黄河口的泥沙在洪枯季节综合的结果是向东北方向扩散，在目前河口海洋动力条件下，有大约４０％的泥沙输往深海．本文还提出了选择最佳河口流路入海方向，充分利用河口海洋动力，提高海流输沙量，稳定河口流路的河口治理策略