浅水非牛顿流体下航道浮泥运动的数值模拟与验证

浮泥在航道内的形成与运动是港口海岸及近海工程中的关键问题，因为它直接影响航道的通航效率和维护成本。本篇首发论文由杨小宸、张庆河和李龙翔合作完成，他们基于天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室的研究背景，针对这一问题进行了深入探讨。 论文首先基于浅水假设，考虑非牛顿流体的特性，即流体粘度随剪切率变化的特性，引入了固结模型。非牛顿流体的流变方程在浮泥的形成和运动过程中起着决定性作用，因为它们能捕捉到泥浆在不同条件下的复杂行为，如剪切应力与剪切速率的关系。 作者推导出了浮泥运动过程中摩擦系数的数学表达式，这是建立有效数值模型的基础。他们构建了一个平面二维非结构化数值模型，这种网格结构能够更好地适应复杂地形和流动变化。采用有限体积法处理空间离散，确保了对流场的精确描述，而时间积分则采用了二阶Runge-Kutta格式，提高了计算精度和稳定性。 论文的核心部分展示了如何将这个数值模型应用于实际场景，以2007年韦帕台风期间连云港主航道的浮泥流动为例。通过模拟，模型的结果与实测数据展现出良好的一致性，这验证了模型在描述浮泥动态过程中的有效性。该研究结果对于理解浮泥的沉积模式、预测航道淤积行为以及制定防淤积策略具有重要意义。 关键词“港口海岸及近海工程”、“浮泥模型”、“浅水方程”、“流变方程”和“航道淤积”揭示了论文的主要研究内容和焦点，表明了作者们在探索浮泥现象的物理机制及其对航道管理的影响方面所做的细致工作。 这篇论文不仅提供了浮泥运动的理论框架，还为航道管理部门提供了一种实用的工具，帮助他们理解和控制航道中的泥沙运动，从而优化航道的运行效率和维护工作。