Three-dimensional hydrostatic modeling of a bay coastal area

This article describes the development of a three-dimensional (3D) multilayer hydrostatic model of tidal motions in the Ariake Sea and its application. The governing equations were derived from 3D Navier-Stokes equations and were solved using the fractional step method, which combines the finite difference method in the horizontal plane and the finite element method in the vertical plane. This study introduced a 3D, time-dependent, hydrostatic, tidal current model that can compute wetting and drying in tidal flats due to tidal motion. The 3D model was first tested against analytical solutions for three standard cases in a rectangular basin in order to investigate the performance of the model. Then, the model was applied to Saigo fishery port and the Ariake Sea. For standard cases, the numerical solutions were almost identical to the analytical solutions. Finally, the model results for Saigo port and the Ariake Sea show good agreement with the field observations.     

闽江河口三维潮流数值模拟及特性分析

基于FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模型，建立了闽江河口区域精细化的三维潮流数值模型。对模型的海底摩阻系数的选取进行讨论，得出Koutitas公式更为合理的结论。采用该模型对闽江口的潮汐、潮流特征进行分析，得出以下结论：闽江外海潮波自东南至西北向近岸区域传播，水道内潮流有明显的往复流性质；熨斗岛北部和东部区域，潮流多以旋转流为主；闽江北支水道以落潮流为主，河口区域三维流场在侧向支流影响区域分层不明显。     

海湾电厂三维斜压水流和温排水数值模拟

考虑海湾地区水体密度分布不均所引起的密度梯度和斜压效应,建立正交曲线坐标下基于σ坐标的三维斜压水流和温排水数学模型。将该模型应用于象山湾内某电厂的温排水运动特性研究,计算所得的潮位和流速与原体观测资料吻合良好,所得温排水的温升范围以排水口为中心,随湾内涨、落潮呈带状分布,排水口近区热分层现象明显,温升分布计算结果与物理模型试验结果趋势一致。     

连云港港赣榆港区起步工程泥沙问题研究

泥沙问题是连云港港北翼的赣榆港区和航道建设的关键问题之一。文中在进行自然条件分析的基础上,利用MOHID二、三维潮流泥沙数学模型对该港区实施后的潮流场及港池、航道泥沙回淤进行了计算模拟,对不同工况潮流流态、航道横流及对周围海区影响范围进行了分析,不仅给出不同工况下港池和航道的年回淤值,还对9711号台风作用下港池和航道的骤淤情况进行了计算预报。综合以上研究成果,提出推荐方案。     

宁波舟山近海三维潮汐潮流数值模拟

利用FVCOM模型对宁波舟山近海的潮汐潮流进行了三维数值模拟,并对其水动力特性作了相应分析.FVCOM模型采用非结构化三角形网格,很好地解决了精确拟合宁波舟山群岛的复杂岸线的问题.基于计算区域内的海床性质,采用Koutitas公式对FVCOM模型的中海底摩阻系数的计算进行了改进.通过计算域内多个潮位站和海流站的实测资料...     

潮流三维动态可视化模拟系统研究

应用GIS技术和三维仿真技术建立三维地形模型,通过叠加二维动态潮流模型实现了潮流模拟三维动态可视化,并给出了系统层次架构模型。在对基础数据进行格式分析的基础上,重点阐述了地形数据处理建模方法和二维潮流动态模拟的空间和时间插值混合使用关键算法,介绍了由此开发的潮流模拟三维动态可视化演示系统的具体功能模块,并对系统深入开发方向进行了展望。     

珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造潮流数学模型研究

利用TK-2D软件,建立了伶仃洋内外整体二维潮流数学模型和桂山岛附近工程区局部二维潮流数学模型,采用最新的水文资料对整体模型和局部模型都进行了验证,在验证的基础上,对珠海中燃桂山油库多点系泊码头技术改造项目的3个平面方案的潮流场进行了模拟,对泥沙回淤和骤淤进行了计算和分析。研究结果表明:工程方案实施后,3个方案的航道涨落潮平均流速变化仅为0.01 m/s,涨落潮平均流向不变。港池(调头地和泊位)开挖后涨落潮流速减小,不需开挖的(方案2的港池和方案3的调头地)则涨落潮流速不变;3个方案港池(泊位、调头地)和航道的平均淤强分别为0.06 m/a、0.02 m/a和0.02 m/a,淤积量分别为4.7万m3/a、1.2万m3/a和1.4万m3/a;工程骤淤问题很小,不致形成骤淤;从潮流场和泥沙淤积角度考虑,以方案2为最优,但考虑到3个方案淤强和淤积量值都不大,因此3个方案都是可行的。     

定常径流条件下环胶州湾河流来沙数值模拟

胶州湾沿岸河流众多,这些河流每年都能携带大量泥沙进入胶州湾。本文利用三维的ECOMSED水动力-泥沙数值模型对定常径流和含沙量条件下12条河流对胶州湾的输沙进行了数值模拟,得到了胶州湾的余流分布、特征时刻胶州湾内泥沙浓度以及一个潮周期后胶州湾的冲淤分布。     

港珠澳大桥建设对水沙环境影响数学模型研究—I. 模型的建立和验证

针对港珠澳大桥工程和其所在海区的特点,基于TK-2D软件建立了不规则三角形网格的伶仃洋内外海域大范围二维潮流泥沙数学模型和大桥工程区附近的小范围局部细化的二维潮流泥沙数学模型,根据现场实测资料对模型进行了充分的验证,分析了工程海区的潮流悬沙特征,为进一步论证港珠澳大桥建设方案对工程海区的影响奠定了基础。     

瓯江口航道二期治理潜堤工程三维潮流数值模拟

基于MIKE3技术平台,建立了瓯江口工程海域三维潮流数学模型.模型水平采用无结构的三角形网格系统,垂向采用(σ)坐标,较好地拟合了工程海域复杂的岛屿岸线和地形特征.采用现场实测水文资料,对瓯江口航道二期治理潜堤工程实施后的三维流场进行了模拟,并分析了工程实施后的影响.工程实施后,瓯江北口航道、沙头水道、小门水道、大门岛...     

瓯江南口封堵方案研究

使用二维波浪潮流泥沙数学模型研究手段，通过工程实施前后的波浪场、二维潮流场、泥沙场、地形冲淤变化场的数值模拟和分析，对复杂的瓯江河口南口封堵工程的各种方案进行了研究，从对周围水沙环境影响角度论证了南口封堵工程方案的可行性。研究结果表明，将现潜堤加高的南口完全封堵方案是基本可行的，南口半堵方案是完全可行的。建议瓯江南口从半堵起步，逐步完成南口的完全封堵。     

A 3D, finite element model for baroclinic circulation on the Vancouver Island continental shelf

This paper describes the development and application of a 3-dimensional model of the barotropic and baroclinic circulation on the continental shelf west of Vancouver Island, Canada. A previous study with a 2D barotropic model and field data revealed that several tidal constituents have a significant baroclinic component (the K1 in particular). Thus we embarked on another study with a 3D model to study the baroclinic effects on the residual and several selected tidal constituents.The 3D model uses a harmonic expansion in time and a finite element discretization in space. All nonlinear terms are retained, including quadratic bottom stress, advection and wave transport (continuity nonlinearity). The equations are solved as a global and a local problem, where the global problem is the solution of the wave equation formulation of the shallow water equations, and the local problem is the solution of the momentum equation for the vertical velocity profile. These equations are coupled to the advection-diffusion equation for density so that density gradient forcing is included in the momentum equations. However, the study presented here describes diagnostic calculations for the baroclinic residual circulation only.The model is sufficiently efficient that it encourages sensitivity testing with a large number of model runs. In this sense, the model is akin to an extension of analytical solutions to the domain of irregular geometry and bottom topography where this parameter space can be explored in some detail.In particular, the consequences of the sigma coordinate system used by the model are explored. Test cases using an idealized representation of the continental shelf, shelf break and shelf slope, lead to an estimation of the velocity errors caused by interpolation errors inherent in the sigma coordinate system. On the basis of these estimates, the computational grid used in the 2D model is found to have inadequate resolution. Thus a new grid is generated with increased accuracy in the region of the shelf break. However, even with increased resolution, spurious baroclinic circulation seaward of the shelf break and in the vicinity of Juan de Fuca canyon remained a significant problem when the pressure gradient terms were evaluated using the σ coordinate system and using a realistic density profile.With the new grid, diagnostic calculations of the barotropic and baroclinic residual circulation are performed using forcing from the observed σ_t (density) field and from the gradient of this field.     

港珠澳大桥珠澳口岸人工岛工程二维潮流泥沙数学模型研究

基于TK-2D软件建立了三角形网格的伶仃洋海域大范围二维潮流泥沙数学模型和港珠澳大桥的珠澳口岸人工岛工程区附近小范围局部细化的二维潮流泥沙数学模型,并根据现场实测资料对模型进行了验证模拟,在模型验证基础上,对珠澳口岸人工岛工程实施后的潮流泥沙进行了模拟研究,从潮流泥沙角度对人工岛工程对周围海区的影响进行了分析论证.研究...     

建闸河口闸下潮波变形数值模拟研究*

我国河口建闸之多,闸下河道淤积之严重,世界罕见。众多学者对建闸河口闸下淤积的机理进行了系统的分析和研究,认为潮波变形是造成闸下河道淤积的动力因素,闸下引河长度(河口到闸的距离)不同,潮波变形的特征也有所不同,淤积形态和特征也不相同。在潮波变形概化物理模型试验的基础上,建立了二维潮流数学模型,通过数值模拟计算,得出了不同引河长度时的潮波变形特征,为预测和分析不同闸址建闸所引起的淤积特性分析提供研究依据。     

葫芦岛海域潮流泥沙数值模拟

使用TK-2D软件建立了基于不规则三角形网格的葫芦岛海域的潮流场和悬沙场数学模型,根据现场实测资料对模型进行了充分的验证,对葫芦岛海域的潮流泥沙场进行了数值模拟,根据模拟计算结果,对该海域的潮流场和泥沙场特征进行了分析。研究结果表明:(1)葫芦岛海域海区的潮流运动为半日潮流类型;(2)该海区的潮流运动基本为平行岸线的往复运动;(3)该海区的潮流动力中等;(4)正常天气条件下水体含沙量很小,且分布均匀。     

万泉河嘉积至博鳌河段河道水力特性分析

依托万泉河一期航道建设研究,建立了万泉河嘉积至博鳌河段二维正交曲线水流数学模型。首先采用天然资料对模型进行率定,通过有关参数调整,使数值计算成果与天然实测资料达到精度要求。依据对枯水期大潮、枯水期小潮、洪水期大潮3次潮流模拟成果,详细分析了目标河段地形、水位、比降、流速的变化特征,给出了潮区界、潮流界变化规律,明确了感潮河段的具体位置,并重点介绍了博鳌水域流场分布,为万泉河航道建设规划提供了技术支撑。     

一种有限体积法三维港内粘性泥沙淤积模型研究

基于物理量守恒的有限体积法,建立了三维粘性泥沙运动及回淤数学模型。平面采用无结构三角形网格划分计算区域、拟合复杂海岸边界,垂向采用坐标变换技术,适应不平坦海底地形。以天津港港内泥沙回淤为例,模拟三维粘性泥沙的输运过程,得出了港内垂向分层潮流流场、垂向含沙量变化、淤积历程及淤积分布。结合实测地形资料对模型进行验证,为研究三维泥沙运动特性提供了一种新的方法。     

洋山深水港北侧围垦工程潮流泥沙数值模拟研究*

为进一步完善洋山深水港的各项配套功能,港区北侧将通过围垦工程建设具有综合服务功能的物流园区。围垦工程将引起小洋山岛周围海域潮流及泥沙运动发生变化。为解决开发建设的一系列潮流泥沙技术难题,在充分掌握海域潮流泥沙运动特性的基础上,采用Mike21中的FM三角形网格和动边界技术建立平面二维潮流数学模型,模拟研究规划方案建设引起的潮流场变化,计算分析各围垦规划方案引起的潮流变化及泥沙冲淤幅度,论证规划方案的可行性。     

甬江及口外海域潮流泥沙数值模拟

建立了甬江河道及口外海域平面二维潮流泥沙数学模型,对2015年6月半个月的潮流场和悬沙场进行模拟,模拟结果与实测资料吻合良好。计算得到了研究区域洪季的余流场和输沙格局,结果表明:甬江口外余流整体由西北指向东南,河道余流指向下游;除口门局部水域,甬江口外输沙格局基本与余流场一致,悬沙经涨潮流的作用被带入甬江河道,致使河道内近口门处的输沙格局由口门向内;甬江口局部区域输沙格局与余流场存在差异的原因是悬沙输移与潮流运动存在时间上的滞后。     

三维竖轴潮流水轮机水动力性能研究

竖轴水轮机作为潮流能转换为电能的核心装置,其水动力性能的优劣将会直接影响到整体发电系统的效率。为了研究大型竖轴水轮机叶片安装角对水轮机水动力性能的影响,基于多参考系模型(MRF),采用Fluent软件对流场中的模型进行3D数值模拟。在转速和来流速度保持不变,改变安装角时,分析同种翼型5个不同安装角叶片对潮流能水轮机的水动力性能的影响。同时分析在同一安装角和旋转速度条件下,不同来流速度对水轮机水动力性能的影响。结果表明,叶片安装角对竖轴潮流水轮机的能量利用率影响较大,来流速度对水轮机叶片表面的静压力和输出功率具有一定的影响。研究结果对今后竖轴水轮机的设计和生产具有借鉴意义。