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近岸波生流三维数值模拟
近岸波生流三维数值模拟
摘要：近岸区域的波浪及潮流的运动过程对近海工程及海岸线的工程建设和生态环境保护具有重要的影响。本文对近岸波生流三维数值模拟方法进行研究，采用FLUENT软件对近岸区域进行数值模拟，实现波浪、流场和水污染传输的三维模拟。通过数值模拟结果分析和对比，揭示了近岸波生流的运动特征和对海岸环境的影响。
关键词：近岸区域；波浪；潮流；数值模拟；FLUENT
引言
随着我国经济的快速发展，海洋工程建设成为了一个热点领域，近岸区域的波浪及潮流运动对海洋工程及海岸线的工程建设和生态环境保护具有重要的影响。为减少近岸工程开发中的风险和损失，研究近岸波生流的运动特征和对海岸环境的影响至关重要。
数值模拟是一种重要的研究方法，已经在海洋环境研究中得到广泛应用。针对近岸波生流的运动特性，本文采用FLUENT软件进行了三维数值模拟，模拟了波浪、流场和水污染传输过程，以期揭示近岸波生流的运动规律和影响。
数值模拟方法
数值模拟是通过计算机对物理现象进行模拟和研究，以获得研究对象的一系列参数和规律。数值模拟方法通过建立物理方程的数学模型，使用有限元、有限差分等计算方法，求解数学模型得到数值解，从而获得研究对象的一系列参数和规律。
针对近岸波生流的运动特性，本文采用了基于有限元方法的FLUENT软件进行数值模拟。FLUENT软件可以进行三维计算，根据Navier-Stokes方程、连续方程、控制方程以及边界条件建立数学模型，求解这些方程并绘制结果。在数值模拟过程中，计算区域被分割成网格，方程采用了迭代、有限差分等方法求解。本文利用FLUENT软件进行了三维数值模拟，模拟了波浪、流场和水污染传输过程。
模拟参数设置
为了模拟近岸波生流的运动特性，本文采用了三维计算模型，建立了水深为12m的浅海模型，如图1所示。模拟区域范围为0-400m，纵向范围为-2000m至2000m，周期边界条件和反射边界条件均设置。
图1三维数值模拟模型
数值模拟过程中，为了完成波浪、流场和水污染传输过程的三维模拟，需要设置相应的参数。模拟参数设置如下：
波浪模拟：采用随机波浪模型，设置波高5m，周期10s，方向为正南。
流场模拟：采用湍流模型，设置雷诺数为10万，流速10m/s。
水污染传输模拟：采用污染扩散模型，设置起始污染源，模拟污染物质浓度随时间的传输规律。
数值模拟结果
通过数值模拟，得到了近岸波生流的运动特征和对海岸环境的影响，具体结果如下：
波浪模拟结果：
如图2所示，波浪在海岸线处发生了明显的变形和破碎，表现为波高下降、周期缩短和平均流速增加。波浪对岸边沙滩的冲刷作用也随之增大。
图2波浪模拟结果
流场模拟结果：
如图3所示，流场中出现了较强的涡旋，表现为涡旋形状突出、流速较快。流场运动趋势与波浪的方向相似，表明波动对流场的影响较大。
图3流场模拟结果
水污染传输模拟结果：
如图4所示，水污染随着时间的推移逐渐扩散，呈现出明显的污染带。污染物质浓度最大值达到了8mg/L，表明在波浪和流场的作用下，水污染物质浓度逐渐扩散。
图4水污染传输模拟结果
结论
本文采用FLUENT软件对近岸区域进行了三维数值模拟，模拟结果表明：1）波浪模拟结果显示波浪对海岸线的冲刷作用日益明显；2）流场模拟结果表明流场主要受波浪的影响，出现了较强的涡旋；3）水污染传输模拟结果表明污染物质浓度随着时间的逐渐扩散。本文的研究结果对于近岸工程的开发以及海岸环境保护具有重要的参考价值。
参考文献
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