一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，主要步驟包括：采用非結構化網(wǎng)格建立大區(qū)域波浪數(shù)學模型；采用非結構化網(wǎng)格建立淺海工程海域波浪數(shù)學模型；根據(jù)大小不同的計算區(qū)域進行波浪數(shù)值模擬。本發(fā)明所達到的有益效果：在充分發(fā)揮非結構化網(wǎng)格波浪數(shù)學模型的基礎上，通過應用網(wǎng)格嵌套技術，大大減小了計算域中網(wǎng)格的數(shù)量，提高計算速度。通過應用網(wǎng)格嵌套技術，可以布置更加精細的計算網(wǎng)格，適應復雜的地形、曲折的岸線邊界，提高計算結果的準確性。
【專利說明】一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，屬于波浪場數(shù)值模擬和預 報【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 近年來，隨著我國港口航道工程、人工島、人造沙灘、圍墾、風電等海岸工程的建 設，對工程海域波浪的數(shù)值模擬和預測提出了更高的要求。建立非結構化網(wǎng)格河口、海岸及 近海工程海域波浪數(shù)學模型，準確預報工程海域波浪要素，對于優(yōu)化工程設計方案、節(jié)省工 程投資、提高工程安全性，具有重要的實際意義。
[0003] 為了更加準確地模擬河口、海岸和近海水域的波浪傳播過程，常常采用網(wǎng)格嵌套 的方法，建立大、小范圍的波浪數(shù)學模型。目前，國內(nèi)外常用的是結構化網(wǎng)格的嵌套技術，但 是由于這些水域地形非常復雜、岸線曲折多變，同時又受眾多工程的影響，未能比較精確地 模擬波浪的傳播。
[0004] 隨著波浪數(shù)值模擬技術的發(fā)展，相對于結構化網(wǎng)格而言，非結構化網(wǎng)格具有更多 的優(yōu)點，得到了大量應用，至今，國內(nèi)外應用非結構化網(wǎng)格模擬技術雖然取得了不少成功的 案例，但是由于河口、海岸和近海水域波浪模擬的復雜性和更高的精度要求，模擬結果有待 進一步提商。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值 模擬方法，建立考慮潮位變化影響的大、小區(qū)域嵌套波浪數(shù)學模型，以期進行準確地預測復 雜地形、曲折邊界和工程影響的波浪傳播過程。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術方案：
[0007] -種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，包括如下步驟：
[0008] 1)建立大區(qū)域的非結構化網(wǎng)格波浪數(shù)學模型，其控制方程為：

【權利要求】
1. 一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，包括如下步驟： 1) 建立大區(qū)域的非結構化網(wǎng)格波浪數(shù)學模型，其控制方程為：
上式左邊第一項為波作用量N隨時間的變化率，N = N(〇，0) =E(〇，0)/〇，E(〇， 9)為能譜密度，〇為波浪頻率，9為波浪方向； 上式左邊第二項和第三項分別表示N(〇, 0)在空間x、y方向上的傳播； 上式左邊第四項表示N(〇, 0)在?？臻g因為流場和水深所引起的變化； 上式左邊第五項表示N(〇, 0)在0空間的傳播，亦即水深及流場所引起的折射； 方程右邊的S代表以譜密度表示的源匯項，包括風能輸入、波與波之間非線性相互作 用和由于底摩擦、白浪、深度誘導破碎所引起的能量損耗； 所述Cx、Cy、C。、Ce分別代表在x、y、〇、0空間的波浪傳播速度；其中，C x、Cy、C。、Ce分別為：
其中，言=丨t，為波數(shù)，kx，ky分別為x、y空間的分量，k為波數(shù)，d為水深， 療= (1?)為流速，Ux，uy分別為x、y空間的2分量，s為沿0方向空間坐標，m為垂直于 s的坐標，相對頻率+ w為波浪的固有頻率；算子藝定義為羞= ^ + 為波速；t為時間。 2) 建立非結構化網(wǎng)格嵌套的淺海工程海域波浪數(shù)學模型；根據(jù)所述大區(qū)域非結構化 網(wǎng)格波浪數(shù)學模型提供給所述淺海工程海域波浪數(shù)學模型的完全嵌套的頻譜和方向譜邊 界條件（包括將要嵌套的計算域邊界處節(jié)點的坐標、頻率、方向、能譜或變密度等要素），然 后應用所述步驟1)中的控制方程和有關的輔助方程，建立淺海工程海域波浪數(shù)學模型，進 行工程海域波浪數(shù)值計算。 3) 求解所述非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)學模型。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，所述 步驟1)中，源函數(shù)項S的表達式為： S Swind+Sni+Sb〇ttom+S white"^ ^breaking (6)； Swind代表風對浪的作用；Snl代表非線性波-波之間的相互作用；Stottrail代表底摩擦所引 起的能量損耗；swhito代表白浪所引起的能量損耗；Stoaking代表深度誘導破碎所引起的能量 損耗。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，所 述Swind，即Swind( 〇，0 )，代表風對浪的作用，表示為線性增長部分和指數(shù)增長部分，即： Swind(〇，9) = A+BE(〇，0)，其中與依賴于波的頻率、方向以及風的大小和方向，E(〇，0) 為能譜密度。
4. 根據(jù)權利要求2所述的一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，所述 Snl代表非線性波-波相互作用，波浪從風中獲得能量后成長，其能量又在不同頻率之間再 分配；所述包括三相波-波相互作用Snl3和四相波-波相互作用Snl4。
5. 根據(jù)權利要求2所述的一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，所述 Sbrttt5mR表底摩擦所引起的能量損耗，表達式為：
其中，d為水深，〇、k和0分別表示頻率、波數(shù)和波向，Cbtrtttjm是底摩擦系數(shù)，E(〇, 0) 為能譜密度。
6. 根據(jù)權利要求2所述的一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，所述 Swhite代表白浪所引起的能量損耗，表達式為：
式中，d表示水深，r是波陡系數(shù)，5表示平均頻率，&表示平均波數(shù)。
7. 根據(jù)權利要求2所述的一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，所述 步驟1)中， 所述Stoaking代表深度誘導破碎所引起的能量損耗，表達式為：
其中，Etrt為總波能，Dttrt為波破碎導致單位面積上能量的平均耗散率，其表達式為 ：
其中，SWAN模型中a w = 1，斤為平均頻率，Qb由破碎的波所決定：
Hm為給定深度波浪未能發(fā)生破碎所能支持的最大波高，由Hm = Y d來確定，其中d為 水深，Y是破碎參數(shù)。
8. 根據(jù)權利要求1所述的一種非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)值模擬方法，其特征是，所述 步驟3)中，以第三代波浪模型SWAN為工具，結合步驟1)中的控制方程（1)和相關輔助公 式，并應用步驟2)中的非結構化網(wǎng)格波浪模型的嵌套方法，采用全隱式有限差分格式和一 次迭代四次掃描技術對所述非結構化網(wǎng)格嵌套波浪數(shù)學模型求解。
【文檔編號】G06F19/00GK104331599SQ201410522470
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權日:2014年9月30日
【發(fā)明者】朱志夏, 齊慶輝 申請人:江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司