Численные эксперименты моделирования транспорта наносов и динамики изменения рельефа дна мелководных водоемов

Abstract

Процесс транспорта наносов является объектом постоянного изучения, поскольку представляет ценность при прогнозе распространения загрязнений и изменения рельефа дна. Чаще всего прогностические исследования в этой области строятся на основе математических моделей, которые позволяют сократить, а в ряде случаев исключить дорогостоящие и опасные в экологическом отношении эксперименты. Для прогнозирования изменения рельефа дна в работе используется нестационарная 2D модель транспорта наносов, учитывающая следующие физически значимые факторы и параметры: пористость грунта; критическое значение касательного напряжения, при котором начинается перемещение наносов; турбулентный обмен; динамически изменяемую геометрию дна, ветровые течения и трение о дно. Предложена и исследована дискретная модель транспорта наносов, полученная в результате аппроксимации соответствующей линеаризованной непрерывной модели. Для предложенной модели гидродинамических процессов разработаны параллельные алгоритмы, реализованные в виде комплекса программ. Выполнены численные эксперименты для модельных задач транспорта донных отложений и трансформации рельефа дна, результаты которых согласуются с реальными физическими экспериментами. The process of sediment transport is an object of constant study, since it is valuable in predicting the spread of pollution and changes in bottom topography. Prognostic studies in this area are based on mathematical models that can reduce, and in some cases eliminate, costly and environmentally hazardous experiments. Non-stationary 2D model of sediment transport is used in the workto predict changes in the bottom topography. The model takes into account soil porosity; the critical value of the shear stress at which sediment movement begins; turbulent exchange; dynamically changing bottom geometry, wind currents and bottom friction. The discrete model of sediment transport, proposed as a result of approximation of the corresponding linearized continuous model, is proposed and investigated. Parallel algorithms are developed that are implemented as a complex of programs for the proposed model of hydrodynamic processes. Numerical experiments were performed for model problems of bottom sediment transport and bottom topography transformation, the results of which are consistent with real physical experiments.