異重流是自然環(huán)境和工程實踐中常見的重要流動現(xiàn)象。異重流的傳播演變及動力學特性研究一直是河口與海洋相關領域的重點和熱點之一。近年來，以《近岸海域環(huán)境功能區(qū)管理辦法》等相關政策的印發(fā)為標志，伴隨異重流傳播過程的泥沙和污染物輸移引起了管理人員、科研工作者及工程規(guī)劃師的關注。本書立足于近岸及海洋環(huán)境的現(xiàn)實問題與長遠挑戰(zhàn)，聚焦異重流的動力學機制和實踐基礎，詳盡地介紹了異重流**的水槽實驗技術、理論分析與高精度數(shù)值模擬研究方法，闡明了異重流在均勻和層結水體環(huán)境中與障礙物和植被群等相互作用下的傳播演變、摻混卷吸、能量耗散及泥沙輸移沉積特性，從新的視角揭示了河口泥沙異重流長距離輸移機制。
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目錄
緒論 1
1 研究意義和背景 1
2 國內(nèi)外研究進展 4
（1）現(xiàn)場觀測 4
（2）水槽實驗 6
（3）數(shù)值模擬 13
（4）現(xiàn)有研究的不足 18
3 本書解決的科學問題 19
參考文獻 19
上篇 水槽實驗與理論
第1章 實驗裝置及測量技術 31
1.1 異重流發(fā)生裝置 31
1.2 層結水體生成裝置 34
1.3 溫鹽測量裝置 36
1.4 PIV系統(tǒng)與技術原理 37
1.4.1 自相關性計算 37
1.4.2 向量有效性檢驗 39
第2章 異重流運動的不確定性分析 40
2.1 實驗工況和參數(shù) 40
2.2 異重流平面形態(tài)不確定性分析 41
2.2.1 異重流三維平面形態(tài) 41
2.2.2 邊壁摩擦對異重流平面形態(tài)的影響 43
2.3 異重流運動過程不確定性分析 44
2.3.1 異重流頭部主要參數(shù) 44
2.3.2 異重流頭部主要參數(shù)的變異分析 45
2.3.3 異重流頭部主要參數(shù)的關聯(lián)分析 46
第3章 層結水體環(huán)境中異重流沿斜坡運動特性的研究 49
3.1 實驗工況和參數(shù) 49
3.2 現(xiàn)象分析 51
3.3 PIV結果分析 53
3.4 界面不穩(wěn)定性分析 56
3.5 剖面速度分析 58
3.6 斜坡坡度和環(huán)境水體層結度對頭部速度的影響 62
3.6.1 不同斜坡坡度對異重流運動的影響 62
3.6.2 不同環(huán)境水體層結度對異重流運動的影響 63
3.7 頭部速度和分離深度預測公式建立與驗證 66
3.7.1 沿坡異重流加速階段的運動預測公式建立 68
3.7.2 沿坡異重流減速階段的運動預測公式建立 70
3.7.3 沿坡異重流的運動預測公式驗證 71
3.7.4 沿坡異重流的分離深度預測公式建立 75
3.7.5 沿坡異重流的分離深度預測公式驗證 77
第4章 層結水體環(huán)境中異重流越障特性的研究 79
4.1 實驗工況與參數(shù) 79
4.2 平坡實驗 82
4.2.1 發(fā)展過程分析 83
4.2.2 越障特性分析 86
4.3 斜坡實驗 88
4.3.1 發(fā)展過程分析 88
4.3.2 越障特性分析 91
4.3.3 分離特性研究 106
4.4 頭部速度和分離深度預測公式建立與驗證 108
4.4.1 異重流遇障礙物的運動預測公式建立 108
4.4.2 異重流遇障礙物的運動預測公式驗證 109
4.4.3 異重流遇障礙物的分離深度預測公式建立 111
4.4.4 異重流遇障礙物的分離深度預測公式驗證 112
第5章 層結水體環(huán)境中異重流流經(jīng)植被群特性的研究 113
5.1 實驗工況與參數(shù) 113
5.2 平坡實驗 117
5.2.1 發(fā)展過程分析 117
5.2.2 局部動力學特性分析 122
5.3 斜坡實驗 126
5.3.1 發(fā)展過程分析 126
5.3.2 局部動力學特性分析 131
5.4 頭部速度和分離深度預測公式建立與驗證 137
5.4.1 異重流遇植被群的運動預測公式建立 137
5.4.2 異重流遇植被群的運動預測公式驗證 139
5.4.3 異重流遇植被群的分離深度預測公式建立 141
5.4.4 異重流遇植被群的分離深度預測公式驗證 143
參考文獻 146
下篇 數(shù)值模擬與機制
第6章 異重流運動的直接數(shù)值模擬模型 151
6.1 控制方程 151
6.2 邊界條件 154
6.3 數(shù)值方法 154
6.3.1 交界面平滑 154
6.3.2 對流-擴散方程的離散 156
6.3.3 N-S方程的離散 157
6.3.4 浸入邊界法 157
6.3.5 控制方程求解過程 159
6.4 重要參數(shù) 159
6.4.1 頭部位置和頭部速度 159
6.4.2 能量變化 159
6.4.3 卷吸系數(shù) 160
第7章 泥沙異重流在層結水體環(huán)境中沿平坡運動的數(shù)值模擬研究 162
7.1 問題描述 163
7.2 模擬工況設置 163
7.3 模型驗證 164
7.3.1 頭部位置對比 164
7.3.2 二維模擬結果和三維模擬結果對比 166
7.4 泥沙異重流運動過程 167
7.5 頭部速度 170
7.5.1 無顆粒異重流頭部速度 170
7.5.2 泥沙異重流頭部速度 172
7.6 卷吸系數(shù) 174
7.6.1 無顆粒異重流卷吸系數(shù) 174
7.6.2 泥沙異重流卷吸系數(shù) 175
7.7 能量變化 176
7.7.1 無顆粒異重流能量變化 176
7.7.2 泥沙異重流能量變化 177
第8章 泥沙異重流在均勻水體環(huán)境中沿斜坡運動的數(shù)值模擬研究 179
8.1 問題描述 179
8.2 模擬工況設置 180
8.3 模型驗證 180
8.3.1 頭部位置對比 180
8.3.2 泥沙沉降對比 181
8.3.3 二維模擬結果和三維模擬結果對比 182
8.4 泥沙異重流運動過程 184
8.5 能量變化 187
8.5.1 動態(tài)參考面 187
8.5.2 坡度對能量變化的影響 188
8.5.3 泥沙沉降速度對能量變化的影響 190
8.6 頭部速度 191
8.6.1 泥沙沉降速度對頭部速度的影響 191
8.6.2 坡度對頭部速度的影響 192
8.7 卷吸系數(shù) 193
8.7.1 坡度對卷吸系數(shù)的影響 193
8.7.2 泥沙沉降速度對卷吸系數(shù)的影響 195
第9章 泥沙異重流在層結水體環(huán)境中沿斜坡運動的數(shù)值模擬研究 197
9.1 問題描述 197
9.2 模擬工況設置 198
9.3 模型驗證 198
9.4 泥沙異重流運動過程 200
9.5 頭部速度和分離深度 203
9.6 卷吸系數(shù) 204
9.7 能量變化 206
第10章 河口泥沙異重流長距離輸移機制的數(shù)值模擬研究 209
10.1 模擬設置和參數(shù)定義 209
10.2 轉化過程機制分析 210
10.3 轉換時間和距離 213
10.4 討論 215
參考文獻 215
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