船舶与海洋结构物设计制造专业毕业论文船舶与海洋结构物设计制造专业毕业论文 精品论文精品论文 长江河口长江河口羽状流扩散与混合过程的数值模拟羽状流扩散与混合过程的数值模拟关键词：长江河口关键词：长江河口 羽状流羽状流 扩散过程扩散过程 混合过程混合过程 数值模拟数值模拟摘要：本文采用 COHERENS(ACOupledHydrodynamical- EcologicalmodelforREgionalandShelfSeas)模型中的三维水动力模块研究了长 江河口羽状流扩散与混合过程的时空变化及其控制因素。论文内容大致可分为 以下三个部分： 第一部分：分别研究了概化的长江河口的羽状流扩散与混合 过程对(i)不同水平与垂向网格精度、(ii)动量与(iv)盐度方程的对流项计算格 式(upwind、Lax-Windroff、带 Superbee 限制函数 TVD 和带单调限制函数 TVD 格式)、(v)水平扩散系数与(vi)垂向涡粘系数的敏感性。(1)羽状流的扩散与混 合过程对水平与垂向网格精度似乎相对不敏感。(2)相对动量方程的对流项计算 格式，羽状流的扩散与混合过程对盐度方程的对流项计算格式更为敏感，采用 Lax-Windroff 格式计算盐度方程对流项不能得到稳定的计算结果。(3)羽状流 的水平扩散对水流和盐度的水平扩散系数的取值较为敏感。随着水平扩散系数 的增大，羽状流向北、向外海方向扩散的范围以及厚度增大，向南扩散的范围 以及盐度的水平梯度反而减小。(4)羽状流的扩散和混合过程对水流和盐度的垂 向涡粘系数非常敏感。随着垂向涡粘系数的增大，羽状流向北扩散的范围以及 厚度增大，向南扩散的范围以及盐度的垂向梯度反而减小，且突起宽度减小， 沿岸流宽度增大。另外，这一部分还分别研究了羽状流扩散与混合过程对河流 径流量、底部纵向坡度、科氏力、定常风和 M2 分潮的响应。(a)随着河流径流 量的增大，羽状流向各方向的水平扩散范围也增大。(b)随着底部纵向坡度的增 加，羽状流向北和向外海方向扩散的范围扩大，向南扩散的范围反而减小。(c) 科氏力导致羽状流水向南偏转，河口呈不对称分布。(d)自东南向西北方向传播 的 M2 分潮抑制了羽状流向各方向的扩散，并加强了羽状流水与海水之间的垂向 混合。(e)在 6m/s 东南偏南定常风作用下，羽状流向东北方向扩散；然而，在 4m/s 西北定常风作用下，羽状流向外海方向扩散受到抑制，且在羽状流边缘出 现强烈的下降流。 第二部分：将实际地形下的长江河口划分为矩形网格 (188140)，网格单元大小是 1045.5m1038.5m.模拟了 M2 分潮作用下洪季长 江河口羽状流的扩散过程。(i)长江河口羽状流主要由南支入海，并以淡水舌的 形式向外海扩散，并在北港外、北港与北槽之间、北槽与南槽之间以及南槽以 南形成了四个淡水舌。淡水舌的平面形态受 M2 分潮调控，在落急时刻向海推进， 而在涨急时刻向岸回收。(ii)长江河口外形成的淡水舌，分别指向东、东南偏 东、东南和东南偏南方向。但是，在科氏力、地形以及 M2 分潮共同作用下，长 江河口羽状流总体上向东南方向扩散。(iii)在北港和北槽口外，盐度水平梯度 较大，形成强烈的羽状锋。羽状锋位置和羽状锋强度都受 M2 分潮调控，显示出 潮周期变化特征。低潮位时，羽状锋距河口最远，高潮位出现 1 小时后，羽状 锋距河口最近。羽状锋强度涨憩最大、落憩最小。羽状锋强度最大的时刻与羽 状锋开始向河口方向推进时刻之间存在 1 小时的滞后。同样地，羽状锋强度最 小的时刻与羽状锋开始向外海方向推进时刻之间也存在 1 小时的滞后。 第三 部分：将 COHERENS 模型进行了改进，以便适用于实际地形下的长江河口正交曲 线网格(14969)下的计算，网格大小从 283m 到 5583m。首先，分别模拟了M2、S2、K1、O1 四个分潮作用下洪、枯季长江河口羽状流的扩散与混合过程。 (i)长江河口羽状流的扩散形态与长江径流流量和潮型有关，可呈现射流、圆形 突起和淡水舌形态，并向东南方向扩散。(ii)长江河口羽状流在纵断面上大致 可分为上部漂浮层和下部垂向混合层的二层结构。上部漂浮层厚度的变化规律 为洪季小于枯季、大潮大于小潮、涨急小于落急。(iii)长江河口羽状流的层化 受控于潮汐混合以及河流流量与潮汐相互作用形成的河口环流。采用了 Simpson#39;s 层化参数()估算了垂向分层。层化参数()洪季大于枯 季、大潮小于小潮、落急大于涨急。其次，模拟了四个分潮和风共同作用下洪、 枯季长江河口羽状流的扩散与混合过程。(i)在洪季 6m/s 东南偏南定常风作用 下，长江河口羽状流表层一部分水体在大潮时以淡水朵云的形态脱离羽状流主 体向东漂移，在小潮时则整体向东北偏东方向扩散；长江河口羽状流底层仍以 淡水舌的形态向东南方向扩散。枯季，在 4m/s 西北定常风作用下，长江河口羽 状流向外海的扩散受到抑制，但是，仍以淡水舌的形态向东南方向扩散。(ii) 在洪季 6m/s 东南偏南定常风作用下，长江河口羽状流上部漂浮层厚度有所增厚。 在枯季 4m/s 西北定常风作用下，除小潮涨急时刻外，长江河口羽状流垂向盐度 梯度较小，近似地呈现充分混合状态。(iii)在洪季 6m/s 东南偏南定常风作用 下，长江河口羽状流的层化大大加强，层化参数最大值较无风时的增长了约 2080。在枯季 4m/s 西北定常作用下，羽状流迎风一侧的层化加强，其余部 分的层化减弱。显然，羽状流中的层化或去层化与风向有关，即促进上升流的 风驱动羽状流浮于海水之上向海运动，从而增强长江河口羽状流的层化，促进 下降流的风则驱动羽状流向岸运动，导致去层化。正文内容正文内容本文采用 COHERENS(ACOupledHydrodynamical- EcologicalmodelforREgionalandShelfSeas)模型中的三维水动力模块研究了长 江河口羽状流扩散与混合过程的时空变化及其控制因素。论文内容大致可分为 以下三个部分： 第一部分：分别研究了概化的长江河口的羽状流扩散与混合 过程对(i)不同水平与垂向网格精度、(ii)动量与(iv)盐度方程的对流项计算格 式(upwind、Lax-Windroff、带 Superbee 限制函数 TVD 和带单调限制函数 TVD 格式)、(v)水平扩散系数与(vi)垂向涡粘系数的敏感性。(1)羽状流的扩散与混 合过程对水平与垂向网格精度似乎相对不敏感。(2)相对动量方程的对流项计算 格式，羽状流的扩散与混合过程对盐度方程的对流项计算格式更为敏感，采用 Lax-Windroff 格式计算盐度方程对流项不能得到稳定的计算结果。(3)羽状流 的水平扩散对水流和盐度的水平扩散系数的取值较为敏感。随着水平扩散系数 的增大，羽状流向北、向外海方向扩散的范围以及厚度增大，向南扩散的范围 以及盐度的水平梯度反而减小。(4)羽状流的扩散和混合过程对水流和盐度的垂 向涡粘系数非常敏感。随着垂向涡粘系数的增大，羽状流向北扩散的范围以及 厚度增大，向南扩散的范围以及盐度的垂向梯度反而减小，且突起宽度减小， 沿岸流宽度增大。另外，这一部分还分别研究了羽状流扩散与混合过程对河流 径流量、底部纵向坡度、科氏力、定常风和 M2 分潮的响应。(a)随着河流径流 量的增大，羽状流向各方向的水平扩散范围也增大。(b)随着底部纵向坡度的增 加，羽状流向北和向外海方向扩散的范围扩大，向南扩散的范围反而减小。(c) 科氏力导致羽状流水向南偏转，河口呈不对称分布。(d)自东南向西北方向传播 的 M2 分潮抑制了羽状流向各方向的扩散，并加强了羽状流水与海水之间的垂向 混合。(e)在 6m/s 东南偏南定常风作用下，羽状流向东北方向扩散；然而，在 4m/s 西北定常风作用下，羽状流向外海方向扩散受到抑制，且在羽状流边缘出 现强烈的下降流。 第二部分：将实际地形下的长江河口划分为矩形网格 (188140)，网格单元大小是 1045.5m1038.5m.模拟了 M2 分潮作用下洪季长 江河口羽状流的扩散过程。(i)长江河口羽状流主要由南支入海，并以淡水舌的 形式向外海扩散，并在北港外、北港与北槽之间、北槽与南槽之间以及南槽以 南形成了四个淡水舌。淡水舌的平面形态受 M2 分潮调控，在落急时刻向海推进， 而在涨急时刻向岸回收。(ii)长江河口外形成的淡水舌，分别指向东、东南偏 东、东南和东南偏南方向。但是，在科氏力、地形以及 M2 分潮共同作用下，长 江河口羽状流总体上向东南方向扩散。(iii)在北港和北槽口外，盐度水平梯度 较大，形成强烈的羽状锋。羽状锋位置和羽状锋强度都受 M2 分潮调控，显示出 潮周期变化特征。低潮位时，羽状锋距河口最远，高潮位出现 1 小时后，羽状 锋距河口最近。羽状锋强度涨憩最大、落憩最小。羽状锋强度最大的时刻与羽 状锋开始向河口方向推进时刻之间存在 1 小时的滞后。同样地，羽状锋强度最 小的时刻与羽状锋开始向外海方向推进时刻之间也存在 1 小时的滞后。 第三 部分：将 COHERENS 模型进行了改进，以便适用于实际地形下的长江河口正交曲 线网格(14969)下的计算，网格大小从 283m 到 5583m。首先，分别模拟了 M2、S2、K1、O1 四个分潮作用下洪、枯季长江河口羽状流的扩散与混合过程。 (i)长江河口羽状流的扩散形态与长江径流流量和潮型有关，可呈现射流、圆形 突起和淡水舌形态，并向东南方向扩散。(ii)长江河口羽状流在纵断面上大致 可分为上部漂浮层和下部垂向混合层的二层结构。上部漂浮层厚度的变化规律为洪季小于枯季、大潮大于小潮、涨急小于落急。(iii)长江河口羽状流的层化 受控于潮汐混合以及河流流量与潮汐相互作用形成的河口环流。采用了 Simpson#39;s 层化参数()估算了垂向分层。层化参数()洪季大于枯 季、大潮小于小潮、落急大于涨急。其次，模拟了四个分潮和风共同作用下洪、 枯季长江河口羽状流的扩散与混合过程。(i)在洪季 6m/s 东南偏南定常风作用 下，长江河口羽状流表层一部分水体在大潮时以淡水朵云的形态脱离羽状流主 体向东漂移，在小潮时则整体向东北偏东方向扩散；长江河口羽状流底层仍以 淡水舌的形态向东南方向扩散。枯季，在 4m/s 西北定常风作用下，长江河口羽 状流向外海的扩散受到抑制，但是，仍以淡水舌的形态向东南方向扩散。(ii) 在洪季 6m/s 东南偏南定常风作用下，长江河口羽状流上部漂浮层厚度有所增厚。 在枯季 4m/s 西北定常风作用下，除小潮涨急时刻外，长江河口羽状流垂向盐度 梯度较小，近似地呈现充分混合状态。(iii)在洪季 6m/s 东南偏南定常风作用 下，长江河口羽状流的层化大大加强，层化参数最大值较无风时的增长了约 2080。在枯季 4m/s 西北定常作用下，羽状流迎风一侧的层化加强，其余部 分的层化减弱。显然，羽状流中的层化或去层化与风向有关，即促进上升流的 风驱动羽状流浮于海水之上向海运动，从而增强长江河口羽状流的层化，促进 下降流的风则驱动羽状流向岸运动，导致去层化。 本文采用 COHERENS(ACOupledHydrodynamical- EcologicalmodelforREgionalandShelfSeas)模型中的三维水动力模块研究了长 江河口羽状流扩散与混合过程的时空变化及其控制因素。论文内容大致可分为 以下三个部分： 第一部分：分别研究了概化的长江河口的羽状流扩散与混合 过程对(i)不同水平与垂向网格精度、(ii)动量与(iv)盐度方程的对流项计算格 式(upwind、Lax-Windroff、带 Superbee 限制函数 TVD 和带单调限制函数 TVD 格式)、(v)水平扩散系数与(vi)垂向涡粘系数的敏感性。(1)羽状流的扩散与混 合过程对水平与垂向网格精度似乎相对不敏感。(2)相对动量方程的对流项计算 格式，羽状流的扩散与混合过