波浪作用下沙纹床面粗糙高度研究

波浪作用下的沙纹床面粗糙高度是计算床面切应力乃至建立海岸泥沙运动模型的关键性参数，但目前尚缺乏描述粗糙高度变化规律的合理公式或模型，其主要原因在于人们对沙纹床面上波浪边界层水流与泥沙运动机理的认识不够深入。本项目拟建立波浪作用下沙纹床面水流和泥沙运动的全尺度三维格子玻耳兹曼模型，在进行水槽实验验证所建模型的基础上，对沙纹床面上波浪边界层内的水流紊动、旋涡运动以及泥沙运动特性进行模拟研究，揭示沙纹演化机理，并通过大量模拟结果总结沙纹特征尺度和床面粗糙度的变化规律，提出沙纹尺度和床面粗糙度的合理预测公式。上述工作可为沙质海岸泥沙运动研究奠定基础，有重要的科学意义和实用价值。

波浪作用下床面形成沙纹会明显改变床面阻力和波浪边界层运动特性，从而影响沙质海岸泥沙运动。本项目采用数值模拟和实验研究及理论分析相结合的方法，对沙纹床面上的波浪边界层水流紊动特性和粗糙高度、摩阻系数及泥沙运动等进行了研究。项目的主要研究内容和取得的成果有：（1）利用大涡模拟（LES）和格子玻耳兹曼（LB）相结合，建立了描述振荡流作用下粗糙平床与沙纹床面边界层特性的三维数值模型，模型的合理性得到平床和沙纹床面波浪水槽实验验证；（2）根据大量数值模拟结果，给出了振荡流作用下随机排列球形颗粒床面粗糙高度和摩阻系数表达式；（3）针对轨道沙纹、亚轨道沙纹和非轨道沙纹三种类型平衡沙纹床面振荡紊流边界层进行模拟，揭示了三种平衡沙纹的特性，解释了沙纹床面泥沙浓度变化现象，并根据模拟结果给出了沙纹床面粗糙高度表达式；（4）建立了水流与泥沙颗粒运动耦合的全尺度LB模型，模型得到解析解和实验验证，能够合理描述近床面泥沙颗粒运动，但限于计算量限制，目前尚不能通过大量算例研究波浪作用沙纹形成规律；（5）基于开源计算流体力学和离散元软件建立了水流与泥沙颗粒耦合运动CFD-DEM模型，模型可以模拟大量颗粒运动，模拟结果得到实验验证；（6）利用CFD-DEM耦合模型模拟了振荡流作用下近床面泥沙运动，给出了半周期平均推移质输沙率，并对接近沙纹形态的床面泥沙现象进行了分析；（7）采用VOF方法和LB模型建立了二维数值波浪水槽，模拟结果得到解析解和实验验证，该项工作为波浪作用下（含自由表面）泥沙颗粒运动的LB模拟奠定了基础；（8）将波浪粗糙高度和摩阻系数公式引入沿岸输沙研究，建立了具有横向分布的沿岸输沙率模型、非结构化网格沿岸流数值模型和泥沙运动机岸滩演变模型。