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1、中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)2013年第43卷第12期：1328—1337《中國科學(xué)》雜志社、^n^n^，．scichina．comtech．scichina．comSCIENCECHINAPRESS沖瀉區(qū)水動(dòng)力特性的數(shù)值分析蔣昌波①②，鄧斌①②，胡世雄①③，湯寒松①@①長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙410004；②水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410004；⑧賓夕法尼亞州立東斯特勞斯堡大學(xué)地理系，東斯特勞斯堡18301．2999，美國④紐約城市大學(xué)土木工程學(xué)院，紐約10031，美國E—mail：dengbin07@163com收
2、稿日期：2013．08—08；接受日期：2013．09．02國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：51239001，51179015)資助項(xiàng)目摘要基于三維非穩(wěn)態(tài)的Navier．Stokes方程，采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散，在構(gòu)造高分辨關(guān)鍵詞率STACS格式的VOF方法的基礎(chǔ)上，建立基于氣液兩相流的三維自由面流動(dòng)模型，并基于該氣液兩相流沖瀉區(qū)模型對(duì)三維剪切流場(chǎng)和圓柱水體坍塌進(jìn)行了三維模擬，檢驗(yàn)其數(shù)值精度．應(yīng)用該模型數(shù)值研究水動(dòng)力沖瀉區(qū)內(nèi)涌波(bore)在均勻斜坡上的動(dòng)態(tài)傳播過程．對(duì)上爬水流自由面水位高度與實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)高分辨率行對(duì)比，結(jié)果顯示數(shù)值解與
3、實(shí)驗(yàn)解吻合較好，模型能很好描述水流的摻氣運(yùn)動(dòng)．?dāng)?shù)值分析了涌波崩塌(BoreCollapse)、上沖流(Uprush)和回落流(Backwash)等過程中的自由水面、瞬時(shí)流速及床面最大剪切應(yīng)力的時(shí)空分布．結(jié)果表明，沖瀉區(qū)水動(dòng)力結(jié)構(gòu)時(shí)空變化非常復(fù)雜，模型能捕捉到高速薄層水流結(jié)構(gòu)，優(yōu)于前人的數(shù)值結(jié)果，研究有利于進(jìn)一步了解沖瀉區(qū)內(nèi)的泥沙輸運(yùn)規(guī)律及岸灘演變機(jī)制．波浪從破碎區(qū)(surfzone)運(yùn)動(dòng)至沖瀉區(qū)(swash筑物的相互作用、泥沙輸運(yùn)和海嘯溯升等問題l6】．zone)，其水動(dòng)力條件非常復(fù)雜，同時(shí)伴有大量的泥已有許多學(xué)者對(duì)沖瀉區(qū)水動(dòng)力等方
4、面的內(nèi)容開沙輸運(yùn)，是海岸帶動(dòng)力和地形變化最明顯的區(qū)域，岸展了一系列的研究．在理論研究方面，前人大多基于灘中大部分的侵蝕和淤積都集中發(fā)生在破碎區(qū)至沖淺水方程，認(rèn)為流場(chǎng)符合水深平均和靜壓假設(shè)，理論瀉區(qū)這一地帶¨】J．而沖瀉區(qū)(Swashzone)作為海灘分析由潰壩機(jī)理產(chǎn)生的涌波在斜坡上的傳播特征，的一部分，周期性受到波浪破碎后沖濺的上沖流和從而近似描述沖瀉區(qū)的水動(dòng)力特征．如Whitham_l圳回落流的覆蓋和暴露【4]．由于灘面受到水體交替的覆采用特征線法并結(jié)合激波條件推導(dǎo)出涌波傳播到靜蓋與暴露，沖瀉區(qū)內(nèi)的泥沙輸運(yùn)與水動(dòng)力相互作用更水面時(shí)
5、的波高值；Shen和Meyer[HI推導(dǎo)出涌波坍塌后為強(qiáng)烈，海岸遭到侵蝕的程度更大．沖瀉區(qū)水動(dòng)力特海岸線運(yùn)動(dòng)軌跡的精確解；Peregrine和Williams[121隨性直接決定泥沙運(yùn)動(dòng)和岸灘演變，因此，有必要深入后在Shen和Meyer[111的基礎(chǔ)上，得到了潰壩波在斜分析沖瀉區(qū)內(nèi)的水動(dòng)力特性，特別是波浪破碎后涌波坡上運(yùn)動(dòng)的一系列水動(dòng)力特性的理論解．近年來，的形成及演化，這也能夠使我們深入了解海岸帶發(fā)生Pritchard等人『l提出了可描述涌波作用下沖瀉水流多種破壞問題的原因，例如，海岸帶的侵蝕、波浪與建運(yùn)動(dòng)軌跡的隱式解析解．但已
6、有研究忽略了涌波后英文版發(fā)表信息：JiangCB，DengB，HuSX，eta1．Numericalinvestigationofswashzonehydrodynamics．SciChinaTechSci，2013，56：3093—3103，doi101007／sl1431—013—5389．9中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)2013年第43卷第l2期面的動(dòng)量作用，相比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值解，理論值均低估了其中p為密度，為流速矢量，t為時(shí)間，P為壓力，低、中沖瀉區(qū)內(nèi)的水深高度．在實(shí)驗(yàn)研究方面有為動(dòng)力黏性系數(shù)，為應(yīng)變率張量，F(xiàn)為體積力，包括Yeh[鍆，Ta
7、llent等人、Ting和Kirby[剛，Losada等重力和表面張力的作用．為了充分的了解流動(dòng)過程人ll的研究，但這方面的研究多因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備的不中水體的紊流特性，模型中采用Smagorinsky的LES—完善，實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果并不令人滿意，如由于上爬后SGS技術(shù)，封閉高斯濾波方法過濾后不可壓縮的期及回落階段水深非常淺且流速很大，接觸式的浪Navier．Stokes方程．由于水流紊動(dòng)的存在，網(wǎng)格積分高儀和流速儀(NDV)不能很好地測(cè)量到水深及流速時(shí)產(chǎn)生的子渦紊動(dòng)應(yīng)力項(xiàng)為，=pu“，-pu·M，．大分布．近年來，國外在這方面的研究?jī)A向于
8、利用激光渦模型中亞格子應(yīng)力項(xiàng)是未知的，方程需要封閉，本粒子圖像測(cè)速儀(PIV)進(jìn)行實(shí)測(cè)以及建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值研究llⅢ．其中，數(shù)值模型大多基于淺水方文采用亞格子渦黏性模型，其形式為：rij一÷，=j程(ShallowWaterEqu
