南海东北部上陆坡内孤立波与沙波相互作用数值模拟研究

作     者：吴浩南 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈同庆

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0707[理学-海洋科学] 

主      题：内孤立波 海底沙波 泥沙输运 南海东北部上陆坡 数值模拟 OpenFOAM 

摘      要：海底沙波是一种韵律形的海床地貌形态,当海底沙波迁移时,可能会导致海底管道的覆盖或悬空,严重时会造成管道的疲劳破坏甚至断裂。南海东北部存在深水沙波(水深大于100 m),以往研究表明内孤立波对南海东北部海底泥沙运动和沙波迁移具有重要影响,然而内孤立波与沙波的具体相互作用过程与机制仍不十分清楚。本文使用改进后的欧拉两相流模型建立了二维数值模型,对南海东北部上陆坡的深水沙波与内孤立波的相互作用进行数值模拟研究。本文的主要工作和结论如下:(1)在基于OpenFOAM的SedWaveFoam两相流模型基础上进行了改进,建立了两层流体的内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型,并利用实验资料对其合理性进行了验证,计算结果和实验结果吻合较好,改进后的模型可以合理地模拟内孤立波传播及斜坡上浅化变形过程和水动力导致的泥沙运动。(2)对平坦海床上沙波与内孤立波的相互作用进行了定床和动床数值模拟。结果表明内孤立波经过海底沙波后,海底沙波背流面处出现反向流速,原因是背流面在内孤立波逐渐离开沙波时出现的逆压梯度。在内孤立波波高140 m时,海底反向流速最大可达0.352 m/s。在内孤立波的影响下,500 m水深处平坦海床上的海底沙波具有内孤立波传播方向的反方向迁移的趋势。(3)对南海东北部上陆坡和陆架进行了概化,根据该海域典型的密度分层情况,模拟分析了陆坡陆架上内孤立波的浅化变形、极性转换和分裂过程中的形态特征和流场结构。初始的内孤立波波高越大,极性转换的位置越早。极性转换后分裂形成的内波波列中,每个小型上凸型内波处都会产生顺时针流场结构。(4)利用概化后的南海东北部上陆坡,根据该海域典型的密度分层情况,分别对极性转换前的500 m水深处和极性转换阶段的200 m水深处内孤立波影响下的沙波床面泥沙运动进行了模拟分析。结果表明在500 m水深位置处,倾斜底床处泥沙运移与平坦底床的泥沙运移基本一致,沙波具有向深海迁移的趋势。200 m水深处的海底沙波的存在会影响内波的分裂,顺时针涡旋可以使床面悬移质起悬,形成数个高近百米的垂向泥沙柱并逐渐向陆架传播数千米,在垂向泥沙柱与沙波区域间形成长数千米、厚30～40 m的底部雾状层。沙波迎流面具有下部淤积而上部冲刷的趋势,背流面具有淤积的趋势。