基于流速剖面动力解析的潮汐河口水流摩阻特性研究

Friction characteristics of flow in tidal estuary,which plays an important role in tide transmit and sediment transport, is one of the central issues in research on estuarine and coastal hydrodynamics. Flow velocity profile reflects interaction of runoff,tidal current, wind-driven ,and contains intricate dynamic mechanism.In this project ,firstly mathematical expression of shear stress distribution under coacting of tide, runoff, density gradient force and wind stress through solving hydrodynamic equation is obtained; then velocity profile combiled with Prantle mixing and self-similarity theory can be derived and the relationship between friction velocity and hydrodynamical elements such as tidal acceleration and deceleration, wind stress,density gradient force. Based on the velocity profile, we analysize the influence on friction characteristic by hydrodynamical element through analysize measurements on estuarine current and compare with classical logarithm and logarithm-linear profiles. Finally method for amending friction parameters such as friction coefficient by influence of tidal accelerating and decelerating and density gradient(sediment stratification) is proposed, and then is applied into numerical simulation. This research is expected to enrich theory and methodology with regard to estuarine flow structure and friction characteristic,to deepen the apprehension about tidal estuarine flow and to improve the accuracy of numerical simulation and pave way for furter study on sediment transport process in tidal estuary.

河口水流摩阻特性对潮波传播及近底泥沙输运有重要影响，一直是河口海岸水动力学与泥沙研究中的核心问题之一。流速剖面反映了径流、潮流、风生流和密度流等的相互作用，蕴涵着复杂的动力学机制。本课题通过水动力方程，分析水体在潮流、径流、风应力和密度梯度力综合作用下剪切应力分布特征，结合Prantle混合长理论和自相似学说，推求流速剖面表达式，建立摩阻流速和潮流加减速、风应力、密度梯度之间的联系。在此基础上，通过河口实测资料动力解析，与传统对数分布等进行比较，分析动力要素和摩阻特性参数之间的影响机理，提出摩阻特性参数如阻力系数、糙率等在潮流加减速和密度梯度力（泥沙）影响下的修正公式；最后将修正公式应用到数值模拟中进行分析验证。通过本课题的研究，将丰富河口海岸水动力学中关于潮汐河口水流结构和摩阻特性理论方法体系，完善二、三维水流模型，提高潮汐河口水流模拟的精度，为进一步研究河口泥沙输运过程奠定良好基础。

河口水流摩阻特性对潮波传播及近底泥沙输运有重要影响，一直是河口海岸水动力学与泥沙研究中的核心问题之一。流速剖面反映了径流、潮流、风生流和密度流等动力因素的相互作用，蕴涵着复杂的动力学机制。本项目的总体思路是：通过水动力方程，分析水体在潮流、径流、风应力和密度梯度力作用下的剪切应力分布特征， 采用Prantdl混合长理论和自相似学说，推求流速剖面表达式， 建立摩阻流速和其他动力要素参数之间的联系。在此基础上，通过河口实测资料动力解析，分析动力要素和摩阻特性参数之间的影响机理。最后，根据理论解析的结果，修正数值模拟算法，提高数值模拟精度。经过了三年的研究，得到了径潮流、风、密度流对流速剖面的影响规律和理论模式，具体包括：（1）分别分析了潮流、径流、风应力和密度梯度对紊流剪切应力的影响规律；（2）分析了风应力影响下的流速剖面和摩阻特性参数变化规律；（3）从理论上推求了密度梯度影响下的紊流剪切应力，涡粘系数和流速剖面；（4）基于实测资料分析了江苏近海紊流切应力的变化特征；（5）对长江口的流速剖面进行动力解析，分析了摩阻特性参数和动力要素的相关性。通过本课题的研究，将丰富河口海岸水动力学中关于潮汐河口水流结构和摩阻特性理论方法体系，完善二、三维水流模型，提高潮汐河口水流模拟精度，为进一步研究河口泥沙输运过程奠定基础。