[01193684]近岸交通设施周围水动力及其局部冲刷精细模拟技术研究

本研究以沿海地区的交通基础设施工程建设为背景,建立三维精细水沙动力数学模型,研究近岸地区复杂动力因素与交通基础设施（跨海大桥、防波堤等）的相互作用。在此基础上,考虑海岸/海洋复杂地形、水体运动边界变化、泥沙运动等影响,耦合三维非结构水动力模型,最终建立能准确描述近岸地区复杂动力因素作用下交通基础设施周围局部冲刷过程的多尺度水沙动力耦合数学模型,分析多重尺度边界条件影响下水动力过程及交通基础设施局部冲刷过程,为沿海地区交通运输工程建设与防灾减灾提供科学依据。 1、拟解决的关键问题 （1） 基于区域分解方法和重叠网格技术的理论推导,以及重叠网格内边界的插值算法是三维精细水沙数学模型建立的关键所在。 （2） 如何有效耦合大尺度的三维非结构水沙动力数学模型和小尺度的三维精细水沙数学模型,是本项目要解决的关键科学问题之一。 （3） 运用多尺度水动力数学模型对近岸交通基础设施工程影响下水沙动力过程进行深入分析和研究,准确模拟并科学预测其局部冲刷规律。 2、创新点 （1） 已有三维精细水沙运动数学模型均未考虑三维地形的影响,同时,受计算机能力的限制,研究范围较小,本项目采取区域分解方法和重叠网格技术解决上述问题,这是首次尝试。 （2） 已有河口、海岸水动力数学模型均为单一尺度模型,研究范围较大,网格尺寸从几米到几百米不等,不能很好描述交通设施基础结构（跨海大桥、防波提、码头基础结构等）,特别是桥墩等相对尺寸较小的建筑物附近的水流、泥沙运动特性,难以较准确的预测建筑物周围局部冲刷过程,本项目建立多尺度的三维水沙动力耦合数学模型更能精确度描述近岸交通基础设施工程影响下的水流结构及局部冲刷规律。 3、主要研究内容 （1） 研究近岸不同时空尺度的复杂水动力要素的耦合运动的水流结构及运动规律,建立局部水流与交通基础设施（跨海大桥、防波堤等）相互作用的三维精细水沙数学模型; （2） 基于嵌套重叠网格技术,耦合大尺度的三维非结构水动力模型和小尺度的三维精细水沙数学模型,建立能够描述多重尺度边界条件影响下近岸三维水沙动力耦合数学模型,并分析多尺度模型之间的耦合、嵌套效应; （3） 以近岸地区交通基础设施为对象,主要包括跨海大桥、防波堤等,准确模拟并科学预测近岸复杂水动力过程作用下建筑物（跨海大桥桥墩、防波堤堤前）的局部冲刷规律。