波流作用下浮泥界面稳定性及运动特征研究

IMECH-IR > 流固耦合系统力学重点实验室

	波流作用下浮泥界面稳定性及运动特征研究
	刘杰斌
导师	周济福
	2014
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	浮泥是广泛存在于河口、海岸地区的一层由细颗粒泥沙和原生质组成的高含沙水体，它具有很大的流动性，常常引起航道淤塞、港口淤积。浮泥与上层水体间有明显界面，该界面的运动和破坏是垂向质量、动量交换的重要机制。浮泥界面破坏是造成泥质大量输移的原因，研究浮泥的运动及其界面的稳定性对于预测港口、航道淤积具有重要意义。一般认为“波浪掀沙，潮流输沙”，波浪和水流对浮泥界面的破坏及泥质输送有着重要影响。以往的研究多集中于波浪在浮泥海床上的衰减和波浪引起的泥质输送，但对波流作用下浮泥界面破碎机制的研究还很少。从流体力学的角度看，浮泥界面波破碎是一个流动稳定性问题。本文基于浮泥与水体互不渗透假定，利用线性稳定性分析理论和数值模拟方法，研究了水流和波浪作用下浮泥界面的稳定性和运动规律。将浮泥作为高粘度牛顿流体，从不可压缩流体运动的N-S方程出发，利用 PISO算法求解流场，并采用VOF方法捕捉自由表面和浮泥界面，建立了水体与浮泥耦合运动的完全非线性数学模型。同时，从线性化的N-S方程导出了两层流体小扰动的Orr-Sommerfeld方程，结合Chebyshev配点法，建立了波浪和水流作用下浮泥界面的线性稳定性分析模型。利用线性稳定性分析理论研究了水流作用下浮泥界面的稳定性，结果表明，水流作用下浮泥界面失稳有两种不同的模式：一是K-H不稳定模态，其增长率与来流速度成正比，而与浮泥边界层厚度成反比，它随浮泥粘度的增加而迅速减小，但几乎不受密度的影响；二是浮泥与水体大粘度差引起的界面不稳定模态，它显著依赖于浮泥粘度，而几乎不受浮泥密度变化的影响。对浮泥界面失稳临界条件的研究表明：K-H模态主要出现在浮泥边界层较厚、水流速度较大的情况下，粘度差导致的界面模态则主要出现在浮泥边界层较薄、水流速度较小的情况下。总之，粘性在大Reynolds数下是一种稳定因素，因为它降低了K-H不稳定模态的增长率；而在小Reynolds数下则起着一种不稳定作用，因为它引入了更多的不稳定模态。利用入射边界造波和多孔介质消波技术建立数值波浪水槽，模拟了波浪作用下浮泥的运动，研究表明：浮泥界面波与表面波具有相同的波长和周期；界面波高总是随着表面波高的增大而增大，它们之间基本成线性正比关系；界面波高随着表面波周期的增长呈单调增大的趋势。利用线性稳定性分析理论研究了线性表面波作用下浮泥界面的稳定性，分析表明：线性波在泥质上自由传播时，如果界面波与表面波波长相同，则界面波必定衰减，而不能引起界面破坏。利用数值模拟结合理论分析，研究了 Cnoidal波和大幅Stokes波作用下浮泥界面的稳定性，结果表明：浮泥界面破碎应归因于剪切不稳定性，而不是对流不稳定性。利用分层振荡流近似长线性表面波作用下浮泥界面附近的流场，并研究界面在短波扰动下的稳定性，理论分析和数值模拟均表明，泥层厚度与波浪在泥层中的穿透深度之比是影响浮泥界面稳定性的一个关键参数：如果波浪的穿透深度小于泥层厚度，则界面很难发生K-H不稳定性；如果波浪的穿透深度远大于泥层厚度，则浮泥界面很容易因为短波扰动而破碎。
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/49417
专题	流固耦合系统力学重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	刘杰斌. 波流作用下浮泥界面稳定性及运动特征研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.

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2014123110848-liujb.（15302KB）			开放获取	使用许可	请求全文