波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟

左利钦; 陆永军; 朱昊

doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

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波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟

左利钦, 陆永军, 朱昊

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左利钦, 陆永军, 朱昊. 波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟[J]. 水科学进展, 2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

引用本文:

左利钦, 陆永军, 朱昊. 波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟[J]. 水科学进展, 2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

ZUO Liqin, LU Yongjun, ZHU Hao. Numerical simulation of flow-sediment dynamics in wave-current bottom boundary layer: III: simulation of high concentration near the bottom[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

Citation:

ZUO Liqin, LU Yongjun, ZHU Hao. Numerical simulation of flow-sediment dynamics in wave-current bottom boundary layer: III: simulation of high concentration near the bottom[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210029

基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFC0405900）；国家自然科学基金资助项目（51520105014）

详细信息

作者简介:
左利钦(1980-),男,山东巨野人,高级工程师,博士,主要从事河流海岸动力学及工程泥沙研究。E-mail:lqzuo@nhri.cn

通讯作者:
陆永军,E-mail:yjlu@nhri.cn

中图分类号: TV148

Numerical simulation of flow-sediment dynamics in wave-current bottom boundary layer: III: simulation of high concentration near the bottom

State Key Laboratory of Hydrology, Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China

Funds: The study is financially supported by the National Key R&D Program of China (No.2017YFC0405900) and the National Natural Science Foundation of China (No.51520105014).

摘要: 为了解析底部高含沙层特征，研究了物理影响机制和时均含沙量剖面。采用波流边界层1DV泥沙数学模型，结合试验资料，通过设置不同的计算工况进行了影响因素敏感性分析；在此基础上，提出波浪相关的时均泥沙扩散系数分布，考虑主要影响机制，推导了基于边界层物理过程的波浪作用下时均含沙量剖面表达式。结果表明，底部高含沙层与波浪边界层密切相关，是受水动力和床面形态综合影响的结果。仅建立高含沙层与水动力或床面形态的单一关系是有局限性的。含沙量层化效应和制约沉速对底部高含沙层具有重要影响。提出的平底床面含沙量剖面表达式为幂函数-Rouse-指数分布，漩涡沙波床面为指数-幂函数-Rouse分布。预期可应用于二维和三维泥沙数值模拟。
- 高含沙层 /
- 床面形态 /
- 泥沙扩散系数 /
- 含沙量剖面 /
- 细颗粒泥沙
Abstract: Studies of the high concentration layer (HCL) have great theoretical and practical significance in the protection and utilization of estuarial and coastal areas. In order to better understand the HCL,the physical impacting mechanisms and phase-averaged sediment concentration profile were studied. Combining a 1DV model for the flow-sediment dynamics in the wave-current bottom boundary layer (BBL) and experimental data sets,sensitivity analyses were performed by carrying out computations of several scenarios. Inspired by the 1DV model,the distribution of wave-related sediment diffusivity was proposed,and process-based expressions for the suspended sediment concentration (SSC) profile were derived considering primary impacting factors. Results showed that the HCL is directly related to the wave BBL,which is a combined result of bed forms and flow dynamics. It is not appropriate to establish the relationship of the HCL with a single factor,for instance,the parameters of flow dynamics or bed forms. The effects of stratification and the hindered settling velocity have significant impacts on the HCL. The proposed SSC profile over a flat bed is a distribution of power-Rouse-exponent,while over a vortex rippled bed,it has an exponent-power-Rouse distribution. It is expected that these expressions can be applied in further 2-D and 3-D simulations.
- high concentration layer /
- bed forms /
- sediment diffusivity /
- sediment concentration profile /
- fine sediment

[1]	王乐, AlanJ S Cuthbertson, 张尚弘, 王永强. 非恒定流驱动下床面形态变化特征 . 水科学进展, 2021, 32(5): 751-758. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.05.010
[2]	赵汗青, 唐洪武, 闫静, 戴会超, 刘志武. 淹没植物明渠床面冲淤及其对水流运动的影响 . 水科学进展, 2021, 32(2): 250-258. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.02.010
[3]	假冬冬, 王远见, 江恩惠, 邵学军, 张幸农. 小浪底水库淤积形态数值模拟 . 水科学进展, 2020, 31(2): 240-248. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.010
[4]	左利钦, 陆永军, 朱昊. 波流边界层水沙运动数值模拟——I:水动力模拟 . 水科学进展, 2019, 30(4): 556-567. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.04.011
[5]	左利钦, 陆永军, 朱昊. 波流边界层水沙运动数值模拟——II.泥沙运动模拟 . 水科学进展, 2019, 30(5): 738-748. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.014
[6]	李涛, 邹健, 张俊华, 王子路, 马怀宝. 拟焦沙模拟低含沙量异重流运动初步分析 . 水科学进展, 2018, 29(6): 858-864. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.06.011
[7]	申冠卿, 张原锋, 张敏. 黄河下游漫滩高含沙洪水滩槽界定及泥沙时空沉积特性 . 水科学进展, 2017, 28(5): 641-651. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.001
[8]	程永舟, 潘昀, 蒋昌波, 李青峰. 破碎波作用下沙质海床床面形态变化试验 . 水科学进展, 2014, 25(2): 253-259.
[9]	冯镜洁, 李然, 唐春燕, 雍晓东. 含沙量对过饱和总溶解气体释放过程影响分析 . 水科学进展, 2012, 23(5): 702-708. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.012
[10]	柴朝晖, 杨国录, 王茜, 余明辉. 紊流对粘性细颗粒泥沙絮凝影响 . 水科学进展, 2012, 23(6): 808-814. doi: CNKI: 32.1309.P.20121101.1757.011
[11]	张原锋, 申冠卿, Verbanck M A. 黄河下游床面形态判别方法探讨 . 水科学进展, 2012, 23(1): 46-52. doi: CNKI:32.1309.P.20111125.1635.006
[12]	曲璐. 高坝工程总溶解气体过饱和与水体含沙量关系 . 水科学进展, 2011, 22(6): 839-843.
[13]	韩其为, 陈绪坚, 薛晓春. 不平衡输沙含沙量垂线分布研究 . 水科学进展, 2010, 21(4): 512-523.
[14]	万新宇, 包为民, 王光谦. 基于相似性的多沙水库坝址含沙量预测 . 水科学进展, 2010, 21(1): 36-42.
[15]	姚文艺, 郜国明. 黄河下游洪水冲淤相对平衡的分组含沙量阈值探讨 . 水科学进展, 2008, 19(4): 467-474.
[16]	潘成忠, 马岚, 上官周平. 含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响 . 水科学进展, 2008, 19(6): 857-862.
[17]	许炯心. 含沙量和悬沙粒径变化对长江宜昌-汉口河段年冲淤量的影响 . 水科学进展, 2006, 17(1): 67-73.
[18]	张欧阳, 马怀宝, 张红武, 董占地, 徐向舟. 不同含沙量水流对河床形态调整影响的实验研究 . 水科学进展, 2005, 16(1): 1-6.
[19]	石伟, 王光谦, 邵学军. 不同来源区洪水对黄河下游流量-含沙量关系的影响 . 水科学进展, 2003, 14(2): 147-151.
[20]	陈洪松, 邵明安. AlCl₃对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响 . 水科学进展, 2001, 12(4): 445-449.

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波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210029

基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFC0405900）；国家自然科学基金资助项目（51520105014）

作者简介:
左利钦(1980-),男,山东巨野人,高级工程师,博士,主要从事河流海岸动力学及工程泥沙研究。E-mail:lqzuo@nhri.cn

通讯作者: 陆永军,E-mail:yjlu@nhri.cn

收稿日期: 2018-09-03
刊出日期: 2019-12-25

中图分类号: TV148

关键词:

摘要: 为了解析底部高含沙层特征，研究了物理影响机制和时均含沙量剖面。采用波流边界层1DV泥沙数学模型，结合试验资料，通过设置不同的计算工况进行了影响因素敏感性分析；在此基础上，提出波浪相关的时均泥沙扩散系数分布，考虑主要影响机制，推导了基于边界层物理过程的波浪作用下时均含沙量剖面表达式。结果表明，底部高含沙层与波浪边界层密切相关，是受水动力和床面形态综合影响的结果。仅建立高含沙层与水动力或床面形态的单一关系是有局限性的。含沙量层化效应和制约沉速对底部高含沙层具有重要影响。提出的平底床面含沙量剖面表达式为幂函数-Rouse-指数分布，漩涡沙波床面为指数-幂函数-Rouse分布。预期可应用于二维和三维泥沙数值模拟。

English Abstract

Numerical simulation of flow-sediment dynamics in wave-current bottom boundary layer: III: simulation of high concentration near the bottom

State Key Laboratory of Hydrology, Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China

Funds: The study is financially supported by the National Key R&D Program of China (No.2017YFC0405900) and the National Natural Science Foundation of China (No.51520105014).

Received Date: 2018-09-03
Publish Date: 2019-12-25

Keywords:

Abstract: Studies of the high concentration layer (HCL) have great theoretical and practical significance in the protection and utilization of estuarial and coastal areas. In order to better understand the HCL,the physical impacting mechanisms and phase-averaged sediment concentration profile were studied. Combining a 1DV model for the flow-sediment dynamics in the wave-current bottom boundary layer (BBL) and experimental data sets,sensitivity analyses were performed by carrying out computations of several scenarios. Inspired by the 1DV model,the distribution of wave-related sediment diffusivity was proposed,and process-based expressions for the suspended sediment concentration (SSC) profile were derived considering primary impacting factors. Results showed that the HCL is directly related to the wave BBL,which is a combined result of bed forms and flow dynamics. It is not appropriate to establish the relationship of the HCL with a single factor,for instance,the parameters of flow dynamics or bed forms. The effects of stratification and the hindered settling velocity have significant impacts on the HCL. The proposed SSC profile over a flat bed is a distribution of power-Rouse-exponent,while over a vortex rippled bed,it has an exponent-power-Rouse distribution. It is expected that these expressions can be applied in further 2-D and 3-D simulations.

左利钦, 陆永军, 朱昊. 波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟[J]. 水科学进展, 2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

引用本文:

左利钦, 陆永军, 朱昊. 波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟[J]. 水科学进展, 2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

Citation:

ZUO Liqin, LU Yongjun, ZHU Hao. Numerical simulation of flow-sediment dynamics in wave-current bottom boundary layer: III: simulation of high concentration near the bottom[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

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波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

作者简介: 左利钦(1980-),男,山东巨野人,高级工程师,博士,主要从事河流海岸动力学及工程泥沙研究。E-mail:lqzuo@nhri.cn

通讯作者: 陆永军,E-mail:yjlu@nhri.cn

Numerical simulation of flow-sediment dynamics in wave-current bottom boundary layer: III: simulation of high concentration near the bottom

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波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005

南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210029

作者简介: 左利钦(1980-),男,山东巨野人,高级工程师,博士,主要从事河流海岸动力学及工程泥沙研究。E-mail:lqzuo@nhri.cn

通讯作者: 陆永军,E-mail:yjlu@nhri.cn

English Abstract

Numerical simulation of flow-sediment dynamics in wave-current bottom boundary layer: III: simulation of high concentration near the bottom

State Key Laboratory of Hydrology, Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China

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作者简介:
左利钦(1980-),男,山东巨野人,高级工程师,博士,主要从事河流海岸动力学及工程泥沙研究。E-mail:lqzuo@nhri.cn

通讯作者:
陆永军,E-mail:yjlu@nhri.cn

作者简介:
左利钦(1980-),男,山东巨野人,高级工程师,博士,主要从事河流海岸动力学及工程泥沙研究。E-mail:lqzuo@nhri.cn