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1、河口、海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术第一章第一章 绪论绪论v海岸：是海陆相互作用的重要地带，也是海、陆、气交互作用的重要空间，这种表现在： 岸线演变（自然和人为） 飓风（台风）带来的灾难性破坏； 海洋潮汐环境的变化。v河口：海岸常伴随有江河湖泊的出海口，通常称为河口。河口海岸水动力模拟技术v海岸河口问题： 潮流问题 波浪问题 径流、异重流（密度流）、污染物（COD)扩散。v研究海岸河口问题的方法 物理模型（水力学比尺模型） 数学模型（数值模拟）河口海岸水动力模拟技术沿岸过程动力因素物质过程流（潮流）波（风浪）盐水入侵泥沙输移污染物扩散波流相互作用海水入侵控制反馈流载波波生流河口海岸水
2、动力模拟技术v数值模拟：一门综合性的模拟技术，它采用数学模型来模拟某中物理现象，并通过计算机用数值计算法进行近似求解，籍以复演自然演变过程的总称。v水力学、泥沙数值模拟：以水力学和泥沙动力学为理论基础，并结合具体工程的一门新型实用科学。河口海岸水动力模拟技术v水动力泥沙数值模拟：以微分方程为理论，并通过微分方程的离散，变成代数方程，最后采用计算机进行近似求解。v数值模拟的特点： （1）一般以线性理论为基础，但实际自然现象和描述这些现象的微分方程均为非线性的； （2）需要丰富的经验，现场资料和一定的技巧； （3）数值模拟不仅仅是一种近似计算，可以作为一种实验或研究及预测方法。河口海岸水动力模拟技
3、术v数值模拟的优点： （1）实验费用少； （2）速度快、周期短； （3）可以模拟多种因素相互作用的复杂物理过程。如可以模拟水（潮）流、风、柯氏力等多种因素共同作用下的多种泥沙及地形演变的复杂过程。 （4）可以完全控制流体的物理性质（如密度、容重、粘度、含沙量等） （5）模型建成后，长期保存、随时调用修改。 （6）无法模拟微分方程不能描述的物理现象。河口海岸水动力模拟技术v数值模拟工作的基本步骤（1）建立数学模型和编制源程序 建立或选择的微分方程； 根据模拟域边界条件选择合适的网格； 按一定的格式离散方程，得到代数方程和采用合适的数值方法求解代数方程； 编制源程序求解代数方程。 数值模拟分析（收
4、敛性、稳定性、相容性、误差程度等）河口海岸水动力模拟技术（2）调试源程序（3）模型验证 调整模型中有关参数（糙率、紊动动量掺混系数等），使模型有良好的稳定性和收敛性，并与现场资料有良好的吻合；（4）正式方案试验 河口海岸水动力模拟技术v河口、海岸水动力模拟的发展方向1、河口模型四维资料同化2、数字河口动力模型数字河口动力模型具有许多优势:首先,数字河口模型是基于数字区域地形构建而成的,地形要素可自动生成,无需手工操作,大大提高了工作效率;其次,数字模型不仅能输出传统模型的结果,而且能够十分方便地给出河口水文要素和水文状态变量的空间分布场,这些对近岸河口动力科学研究与河口、港口、航道工程都有着广
5、阔的应用前景.v总而言之,数字河口模型研究的最终目的就是利用已有的河口基础科学理论和知识,在数字区域地形的基础之上将观测点的水文信息拓展、同化至区域平面上乃至区域三维立体上的信息,并形成数字成品,为国家宏观决策和国民经济各行各业服务。河口海岸水动力模拟技术v参考文献：vKoutitar 著“Mathematical Model in Coastal Engineering”1)模型简单易懂2）附有Basic程序，而且有验证的算例3）介绍各种数值处理技术v曹祖德、王运洪”水动力泥沙数值模拟河口海岸水动力模拟技术第二章第二章 水动力数值模拟的理论基础水动力数值模拟的理论基础2.1 基本方程自由面运
6、动学边界条件：底部运动学边界条件：河口海岸水动力模拟技术U,V,W为x,y,z 方向上的流速分量。（，）为距平均海平面的自由表面水位。（，）为平均海平面距底部边界的水深。为水平扩散系数。为垂直涡动系数。河口海岸水动力模拟技术初始条件边界条件岸边界：法向流速为零。水边界：给定潮位过程。河口海岸水动力模拟技术Saint Venant 方程河口海岸水动力模拟技术三、二、一维方程的定解条件三、二、一维方程的定解条件v初始条件u,v,w,|t=0=u0,v0,w0,0边界条件开边界：计算域水体与外部水体相接处。(u,v,w)=(u(t),v(t),w(t)=(t)固边界：计算域与陆地或建筑物接壤处无滑动
7、：u,v,w=0有滑动： 垂直边界的速度为0。河口海岸水动力模拟技术2.22.2数值计算数值计算v在计算水动力、泥沙数值模拟时，大都将基本方程组离散成代数方程组，最后求解代数方程组，此处介绍微分方程组的离散技术有限差分法和线性代数方程组的数值解法。河口海岸水动力模拟技术2.2.12.2.1有限差分法有限差分法v有限差分法是工程中常用的一种离散技术，将计算域分成有限个网格，通过差分法求网格结点的微分方程的近似值，也称网格法。v将网格结点上的函数f(x,y,z,t)表示成 ，i,j,k分别表示x,y,z方向的坐标位置，n表示时间。河口海岸水动力模拟技术1、工程中常用的几种差分和微分的关系（一维）（
8、1）一阶向前差分（2）一阶向后差分河口海岸水动力模拟技术（3）一阶中心差分（4）二阶中心差分河口海岸水动力模拟技术2、几种常见的差分格式以一维热传导方程为例：河口海岸水动力模拟技术（1）古典显式格式河口海岸水动力模拟技术（2）古典隐式格式河口海岸水动力模拟技术（3）六点格式（Crank-Nicolson），双层六点隐式格式在x点和n+n/2时层，对t和x均采用中心差分河口海岸水动力模拟技术（4）Richardson格式，三层显式格式在x点和n时层，对t和x均采用中心差分河口海岸水动力模拟技术（5）加权六点格式，隐式格式在x点和n+n时层，01，对t和x均采用中心差分河口海岸水动力模拟技术2.2
9、.22.2.2线性方程组的数值解线性方程组的数值解v有限差分法是工程中常用的一种离散技术，将计算域分成有限个网格，通过差分法求网格结点的微分方程的近似值，也称网格法。v将网格结点上的函数f(x,y,z,t)表示成 ，i,j,k分别表示x,y,z方向的坐标位置，n表示时间。河口海岸水动力模拟技术1、解线性方程组的两种方法:v直接法:通过有限步算术运算直接求出方程组的精确解,最常用的是消元结合代入的方法.v实际上除非是采用无穷位精度计算,一般都得不到精确解.v直接方法适用于解低阶稠密矩阵方程组.河口海岸水动力模拟技术v迭代法 类似于方程求根的迭代法,用一个迭代过程逐步逼近方程组的解.v迭代有可能不
10、收敛,或虽然收敛,但收敛速度慢.v迭代法适用于求解高阶稀疏矩阵方程组.v稀疏矩阵:矩阵非零元素较少,且在固定的位置上.v稀疏矩阵一般是人为构造的,例如36页三转角插值时方程组(8.12),(8.15)的系数矩阵.河口海岸水动力模拟技术GaussGauss消去法消去法( (第一次消元第一次消元) )v考虑方程组A(1)x=b(1)v第一次消元用第一个方程将后面方程的x1消去.v计算乘数v条件:a11(1)0v用-mi1乘以第一个方程加到第i个(i=1,n)方程上,则消去了第i个方程中的x1.河口海岸水动力模拟技术GaussGauss消去法消去法( (第一次消元第一次消元) )v经过上述过程,得到
11、方程组A(2)x=b(2),v其中河口海岸水动力模拟技术GaussGauss消去法消去法( (第第k k次消元次消元) )v假设已完成k-1次消元,得到方程组A(k)x=b(k).v第k次消元的目的是将akk(k) (称为主元)下面的元素变为0.河口海岸水动力模拟技术GaussGauss消去法消去法( (第第k次消元次消元) )v对A(k)右下角的矩阵v计算乘数v条件:akk(k)0v用-mik乘以第k个方程加到第i个(i=k+1,n)方程上,则消去了第i个方程中的xk,得到方程组A(k+1)x=b(k+1).河口海岸水动力模拟技术GaussGauss消去法消去法( (第第k次消元次消元) )
12、v第一步消元的计算公式v类似可以得到第k步消元的计算公式河口海岸水动力模拟技术GaussGauss消去法消去法v消去法完成后最终得到与原方程组等价的三角形方程组A(n)x=b(n).v一共需进行 ? 步n-1河口海岸水动力模拟技术GaussGauss消去法消去法( (算法算法) )河口海岸水动力模拟技术追赶法求解三对角方程组追赶法求解三对角方程组v上面的方程组可以利用追赶法求解(P185).v对于下面形式的方程组v将系数矩阵进行三角分解河口海岸水动力模拟技术v比较两边对应元素可以得到河口海岸水动力模拟技术v因此有v又v因此所有bi的可递推求出,进一步可求出ai,ri.河口海岸水动力模拟技术v在
13、得到系数矩阵的分解后,原方程组转化为vLUx=f.v先求解Ly=fv显然有y1=f1/a1,vyi=(fi-riyi-1)/ai=(fi-aiyi-1)/(bi-aibi-1)(i=2,n)河口海岸水动力模拟技术v再求解Ux=y,v显然有xn=yn, xi=yi-bixi+1(i=n-1,1)河口海岸水动力模拟技术迭代法迭代法v在处理一元方程f(x)=0时,我们将其转化为x=j(x)的形式,然后用不动点迭代的方法进行求解.v对于线性方程组Ax=b,我们也可以将其转化为类似的形式: x=Bx+f,v任取初始向量x(0),令x(k+1)=Bx(k)+f(k=0,1,),则得到一个向量的序列x(k)
14、.v若该序列收敛于向量x*,对x(k+1)=Bx(k)+f 两边取极限得到x*=Bx*+f,即x*是方程组的解.河口海岸水动力模拟技术JacobiJacobi迭代法与迭代法与Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代法迭代法v对于方程组v我们将其改写为河口海岸水动力模拟技术JacobiJacobi迭代法迭代法v写成矩阵的形式为x=B0x+f,其中河口海岸水动力模拟技术JacobiJacobi迭代法迭代法v利用x(k+1)=Bx(k)+f 进行迭代,得到结果如下kx1(k)x2(k)x3(k)000012.53.03.03.022.87500000 2.36363636 1.00000
15、0002.083.00020012 2.00063786 0.999830513.30e-393.00028157 1.99991182 0.999740487.26e-410 3.00003181 1.99987402 0.999881262.50e-4河口海岸水动力模拟技术JacobiJacobi迭代法迭代法v从上表可以看出,迭代序列逐步逼近方程组的精确解(3,2,1)T.v注:在迭代中,我们不可能得到x(k)和精确解之间的误差,一般我们用|x(k)-x(k-1)|(通常用无穷范数)的值来判断是否终止迭代.v在上面的例子中,我们将第i个方程变形为左边是xi,右边是其它分量和常数的线性组合,
16、然后进行迭代,这一方法称位Jacobi迭代.河口海岸水动力模拟技术JacobiJacobi迭代法迭代法v一般的,对于方程组Ax=b,设A非奇异且aii0(i=1,2,n),将A改写为A=D L U,其中河口海岸水动力模拟技术JacobiJacobi迭代法迭代法v将方程组改写为vDx=(L+U)x+bvx=D1(L+U)x+D1bv令B0=D1(L+U)(称位Jacobi迭代矩阵),f=D1b,上式简记为x=B0x+f.v我们得到Jacobi迭代公式 x(k+1)=B0x(k)+f.v写成分量的形式为河口海岸水动力模拟技术Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代法迭代法v在前面的例子
17、中,我们计算x1(k+1),用的是第k步的x2,x3;v计算x2(k+1),用的是第k步的x1,x3,我们有理由认为已经计算出的第k+1步的x1比第k步的“好”.因此,我们应该用第k+1步的x1和第k步的x3来计算x2.v类似地,我们也应该用新信息计算x3.河口海岸水动力模拟技术Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代法迭代法v我们可以将上面一般的Jacobi迭代公式改写为v这一迭代方法称为Gauss-Seidel迭代.河口海岸水动力模拟技术Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代法迭代法( (算例算例) )v其Gauss-Seidel迭代公式为v对于方程组河口海岸水动
18、力模拟技术Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代法迭代法( (算例算例) )v同样取x(0)=(0,0,0)T,迭代结果如下kx1(k)x2(k)x3(k)000012.50000000 2.09090909 1.227272732.522.97272727 2.02892562 1.004132230.47733.00981405 1.99680691 0.995891253.25e-242.99982978 1.99968838 1.000163029.98e-352.99984239 2.00007213 1.000060773.84e-4河口海岸水动力模拟技术超松弛迭代超
19、松弛迭代(SOR)(SOR)方法方法v沿着从xi(k)到xi (k+1) (G)的方向再向前走,就得到超松弛迭代(SOR)方法.v假设已知第k步的迭代向量x(k)以及第k+1步迭代向量x(k+1)的前i1个分量已知,Gauss-Seidel迭代法取河口海岸水动力模拟技术超松弛迭代方法超松弛迭代方法v我们定义新的xi(k+1)为xi(k)与 的加权平均.v在w=1时,上述方法就是Gauss-Seidel方法,w1时称为超松弛法(有时不管w的范围,统称为超松弛方法).河口海岸水动力模拟技术超松弛迭代方法超松弛迭代方法( (算例算例) )v对于方程组v松弛方法迭代格式为河口海岸水动力模拟技术超松弛迭
20、代方法超松弛迭代方法( (算例算例) )v取x(0)=0,w=1.3,终止准则为|x(k)x(k1)|10-5.kx1(k)x2(k)x3(k)x4(k)000001-0.32500000-0.43062500-0.57057813-0.756016020.7562-0.79858622-0.88649937-0.94718783-0.953687310.47410-1.00000717-0.99999179-1.00000289-1.000001703.45e-511-0.99999667-1.00000287-0.99999954-0.999999191.11e-512-1.0000015
21、2-0.99999922-1.00000012-1.000000524.85e-6河口海岸水动力模拟技术超松弛迭代方法超松弛迭代方法( (算例算例) )v我们来观察松弛因子w对收敛速度的影响.w0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0步数301 156 10476594738312621w1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0步数1712121518243555114*v步数表示|x(k)x(k1)|10-5时的迭代步数,w=2.0时,500步以内不收敛.河口海岸水动力模拟技术超松弛迭代方法超松弛迭代方法( (矩阵表
22、示矩阵表示) )v超松弛迭代格式可以写为v用矩阵可以表示为河口海岸水动力模拟技术第三章第三章 二维水动力数值模拟二维水动力数值模拟一、二维水动力数值模拟系统的分类1、按差分网格分：三角形、正方形、矩形、四边形、多边形、曲线坐标网格以及各种形状网格的组合2、按计算方法分：显式法、隐式法、显隐混合法3、按模拟格式分：三角元法、ADI法、破开算子法、单元体积法、MADI法、准分析法、贴体坐标法。河口海岸水动力模拟技术二、平面二维水动力数学模型的一般形式河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术v定解条件河口海岸水动力模拟技术三、三、ADIADI法法河口海岸水动力模拟技术1、网格正方形或矩形，变量u
23、,v,分别交错布置于网格中心和两侧。2、ADI基本思想（1）分步（2）交错显隐河口海岸水动力模拟技术ji+1/2i+1i-1i-1/2j+1j+1/2ij-1/2j-1水位水位 、水深、水深uv河口海岸水动力模拟技术3、差分格式X向运动方程在（i+1/2,j)点离散河口海岸水动力模拟技术连续方程在（i,j)点离散河口海岸水动力模拟技术联立上面的式子得到下面的线性方程组河口海岸水动力模拟技术其中，u与存在如下关系河口海岸水动力模拟技术Y向运动方程在（i,j1/2)点离散河口海岸水动力模拟技术v在后半个时间步长内，按上述同样原理，在y向扫描。因此只须将上述各计算公式做如下的变换：xy,xy;ij,
24、ij; uv,uv;即可求出vi,j+1/2n+1, i,jn+1,然后显式求ui+1/2,jn+1。河口海岸水动力模拟技术四、分步全隐式格式将x向动量方程与连续方程联立，求出un+1,n+1/2,将y向动量方程与连续方程联立，求出vn+1,n+1,河口海岸水动力模拟技术ji+1/2i+1i-1i-1/2j+1j+1/2ij-1/2j-1水位水位水深水深uv河口海岸水动力模拟技术X向动量方程在（i+1/2,j)点离散河口海岸水动力模拟技术连续方程在（i,j)点离散河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术以上离散后的公式整理后如下:同理 在y方向，y向动量方程和连续方程联立得如下：河口海岸水
25、动力模拟技术五、移步双向交替显、隐式交错法MADI法：将水深、水位、流速等变化量均布置在同一网格节点上，由此将基本方程离散成新的差分代数方程组，并建立一种新的解法，这种解法既吸收了原有传统的ADI法的优点，又有较高的稳定性、收敛性和精度。河口海岸水动力模拟技术方程离散时，时间导数项采用前差表示，空间采用中心差分，将t分成两等分。v当nt(n+1/2)t,x向动量方程和连续方程建立差分方程河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术v当（n+1/2）t(n+1)t,y向动量方程和连续方程建立差分方程,求解v,显式求u，过程同上。河口海岸水动力模拟技术六、三角元法由于采用矩形
26、网格而形成锯齿形岸线以及锯齿形堤、坝必然给数值模拟结果带来不良影响，因此有限差分法的矩形网格，难以准确模拟不规则曲线形岸线，即使采用空间变步长网格，也不能完全模拟复杂的曲线形边界。为了解决这些问题，采用了三角形网格。这种不规则三角形网格有以下优点：v可以随意加密计算网点形成不规则三角形，从而较准确地模拟出复杂的边界，如：岸线、建筑物轮廓及航道，v可根据模拟区域的重要性，期F好网格的疏密程度及渐变程度。重要地区，网格密些，不重要地区，网格疏些；河口海岸水动力模拟技术基本方程河口海岸水动力模拟技术离散后方程河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术出于
27、该格式采用显式求解。同时受到复杂地形的影响，在计算过程中会产生一些扰。当这些扰动扩大并传播易使计算失败为消除这些扰动的影响，采用滤波公式河口海岸水动力模拟技术七、边界处理边界处理合适与否影响数值模拟的成败。实际工程中，计算域的边界常由不规则的曲线组成，如何利用有限差分的矩形网格来模拟曲线边界，以及如何选取边界值，这是边界处理的重要内容。河口海岸水动力模拟技术1、边界类型（1）Dirichlet边界（2）Neumann边界（3）浅滩活动边界河口海岸水动力模拟技术2、 Dirichlet边界在边界处有已知的函数值。在实际情况下，水边界通常属于这类边界，该处的实测水位、流速，可作为已知函数值。河口海
28、岸水动力模拟技术v如果边界网格结点正好在实测点上，则该结点的边界值可直接采用已知值。v如果边界网格结点不在实测点上，则分以下不同情况分别处理。v边界结点与实测点很靠近，边界值直接等于实测值；v如果实测点与边界点较远，但与虚拟外结点较近，则令虚拟外结点直接等于实测值，然后引入边界条件求出边界值。河口海岸水动力模拟技术v边界网格结点或虚拟结点与实测点均不靠近，不能直接引用实测值，这时，可根据前移时间步长所得的结果，用线性差值可得边界值。河口海岸水动力模拟技术3、Neumann边界在实际情况下，固定边界属于此类边界河口海岸水动力模拟技术v边界正好通过网格或边界与网格结点很靠近v边界的外法线方向与坐标
29、轴平行，直接得到边界值；河口海岸水动力模拟技术v边界的外法线方向与坐标轴不平行，考虑外法线与坐标轴的夹角，带入边界条件后离散得到边界值。河口海岸水动力模拟技术v边界与网格结点距离较大河口海岸水动力模拟技术4、浅滩活动边界（1）开挖法：将滩地开挖至可能出现的最低水位之下，为使水量平衡，将岸边界向水域内移动，并增大开挖部位的糙率以求得动量上的平衡。这种方法一般只适用于潮滩问题，而且滩地面积只占整个海区较小的情况，而对于水位变化小，坡度较缓的地形，这种处理易失真。河口海岸水动力模拟技术（2）冻结法根据水深判断网格结点是否露出水面，对谈度单元取糙率系数为一接近于无穷大的正数（糙率和水位均布置在网格中心
30、），使单元四周的流速为一接近于0的无穷小量，这样的处理结果相当于使该单元的潮位在计算过程中北冻结不变这种方法适用于宽浅，坡度较坦的露滩问题，而对于潮滩相间的海岸、河口海域，则因水量和动量的过分冻结而失真。河口海岸水动力模拟技术（3）切削法称水位判别法或薄层水法，该法对露滩单元并不冻结，而引入一个富裕水深（相当于滩地上存在很薄的水层）以保证计算过程的完整，相当于将原始地形切削降低，而一旦判断实际水深大于富裕水深时，恢复原始地形，和开挖法具有相同的局限性。河口海岸水动力模拟技术（4）窄缝法假想在岸滩的每个网格上存在一条很窄的缝隙，它的深度和岸滩前的水深一致，根据水量平衡，将窄缝内的水量平铺到岸滩上
31、，把计算边界设在岸滩的窄缝内，成为具有一定水深的固定边界。系数不易确定，只适用于岸边界的露滩问题。河口海岸水动力模拟技术B(z) 为单位浅滩长度内的窄缝系数为单位浅滩长度内的窄缝系数河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术v 窄缝法的优点是在计算中、不必随时变化边界计算点只碍事先定出一个足够大的固定计算边界，就可以动态地模拟出计算城内的水位、流速变化。由于计算域事先已固定，求解时的系数矩阵大小不变，有利于计算的稳定性。又由于窄缝宽度很小。续内流速也可人为加以衰减，故对精度无大影响。缺点是窄缝参数不易确定。河口海岸水动力模拟技术（5）干湿法根据每步计算结果判断每个单元干
32、、湿？湿单元参加方程的计算。河口海岸水动力模拟技术二维浅水水流的一种三角形网格二维浅水水流的一种三角形网格FVM计算格式计算格式对开阔宽浅型水域的水流运动, 可以守恒型二维非恒定浅水方程描述:河口海岸水动力模拟技术式中: x , y 空间坐标; t 时间坐标; u, v 在x , y 方向沿水深积分平均流速分量; 潮位; h 水深; f 柯氏力系数; 水的密度; Z 地形高程; x , y 方向沿水深平均的紊动粘性系数; sx， sy 沿x , y 方向的风应力; bx， by沿x , y 方向的河床底应力.闭边界( 岸边界) : 采用流动法向通量为零开边界( 水流边界) 一般在河道较顺直段选
33、取已知流速或水位过程。河口海岸水动力模拟技术对计算区域中的任意一个三角形单元, 各水力变量P ( x , y ) 的计算值均布置在节点上, 并假定单元内变量分布呈一阶近似:P( x , y ) = a + bx + cy河口海岸水动力模拟技术v基本方程的离散及求解对基本方程在控制体积( 图1) 上积分:由于引入一阶近似假定, 单元内各水力变量, h, u, v 均可表示为节点处变量值的线性函数, 从而可直接求解积分方程. 离散结果表示为如下形式:河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术第四章第四章 河口三维流体动力学模型河口
34、三维流体动力学模型v在宽阔且较深的海岸河口地区，研究水流运动，海岸演变及泥沙运动时，通常二位数值模拟就不能满足要求了，此外，像疏浚抛泥、油膜运动、水质污染扩散等一些专门课题，不是二位数值模拟能解决的，必须采用三位数值模拟技术。河口海岸水动力模拟技术vPOM（Princeton Ocean Model)模型由Blumberg和Mellor1978提出，经多年的改进，已成为比较广泛使用的海洋模式。vPOM在浅水海域水深小于3米时，退潮时，模拟滩地退出水面遇到困难，计算不稳定。vPOM模型采用模式分离技术，三维控制方程组及其定解条件构成模型的内模式，而外模由全积分内模式方程得到。河口海岸水动力模拟技
35、术第四章第四章 河口三维流体动力学模型河口三维流体动力学模型v连续方程：v动量方程：为动量垂向涡粘系数 河口海岸水动力模拟技术v对于三维斜压模型，还需要同时考虑温度、盐度的扩散过程，其控制方程为： 为势温（对河口及近岸地区可为现场实际温度），为盐度，为反映温度、盐度垂向紊动混合的垂向扩散系数。河口海岸水动力模拟技术 是对模型网格无法分辨的所谓次网格运动过程用水平紊动扩散过程参数化后的产生项，分别为：河口海岸水动力模拟技术对基本方程简化时采用的假定与近似对基本方程简化时采用的假定与近似 （1）静压假定：在河口、近岸浅水地区，垂向速度的时间变率（即：垂向加速度）与重力加速度相比甚微，可略去不计，因
36、此垂向动量方程可简化为：，即压强沿水深的变化符合静水压强分布。（2）Boussinesq近似：海水密度为时均值（参考密度）和脉动值之和，将其代入动量方程后，除在重力加速度的前面保留外，其余各项的均略去。（3）Boussinesq假定：由于在时均运动方程中包含了较难处理的雷诺应力张量，Boussinesq在1877年提出了关于可以将水流紊动应力类比于层流粘性应力的假定，即用层流粘性应力的形式对紊动应力进行参数化。河口海岸水动力模拟技术v坐标系中的动力学方程： 河口海岸水动力模拟技术v坐标系中的温度、盐度扩散方程分别为 河口海岸水动力模拟技术v紊流闭合模型：得到动量、标量垂向扩散系数KM、KH 河
37、口海岸水动力模拟技术v外模式方程外模式方程河口海岸水动力模拟技术v边界条件v1、自由表面边界条件 河口海岸水动力模拟技术v2 2、水体底部边界条件、水体底部边界条件 河口海岸水动力模拟技术v3 3、侧向闭边界条件、侧向闭边界条件 河口海岸水动力模拟技术v4、侧向开边界条件v对水位开边界，通常用实测的水位资料或者用更大范围数学模型计算的水位值作为强迫水位控制条件。v对于温、盐等守恒性标量物质的开边界条件，通常分为入流边界和出流边界两种情况。对于入流边界，一般采用开边界实测的温、盐数据；对于出流边界，采用对流型开边界形式：河口海岸水动力模拟技术v数值求解方法（1）模式分裂技术 将垂向积分的运动方程
38、（外模态）从反映流速垂向结构的运动方程（内模态）中分离出来，用较少的计算量通过求解外模态得到自由表面，然后通过求解内模态得到水流的垂向结构，这称为模式分裂技术。 河口海岸水动力模拟技术（2）时间分步法 将三维内模态的计算分为计算垂向扩散过程时步和计算对流和水平扩散时步两部分。分步的目的是为了提高计算效率和提高垂向分辨率两大要求。前一部分为了适应垂向网格的高分辨率需要单独采用隐格式，后者则单独采用显格式。 河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术ECOMECOM模式模式v ECOM是当今国内外应用较为广泛的海洋模式，是在POM的基础上发展起来的,POM采用蛙跳有限差分格式和分裂算子技术，对慢
39、过程(平流项等)和快过程(产生外重力波项)分开，分别用不同的时间步长积分，快过程的时间步长受严格的判据的限制。为消除蛙跳格式产生的计算解，POM每一时间积分层次上采用了时间滤波。另外，分裂算子方法可能会造成微分方程和差分方程解的不一致性(Casulli and Cheng，1992)。河口海岸水动力模拟技术vEOM模式具有如下特点： (1)模式嵌套了一个25阶湍流闭合模型，提供垂向湍流黏滞和扩散系数； (2)垂向采用坐标系； (3)水平方向采用非正交曲线网格，变量配置采用“Arakawa C网格； (4)动量方程中的正压梯度力采用隐式方法，连续方程的求解采用Casulli(1991)半隐方法，
40、使得模式允许的时间步长可比CFL条件所限制的时间步长大几十倍； (5)产生慢过程的水平项采用显式差分，垂向项隐式差分，因此模式能具有很高的垂向分辨能力； (6)耦合了完整的热力学方程。河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术v湍流闭合模型：得到动量、标量垂向扩散系数KM、KH 河口海岸水动力模拟技术vECOM放弃了分裂算子和时间滤波方法，时间上采用前差格式，并用半隐格式计算水位方程，消除了CFL判据的限制。ECOM和POM在其他方面是一致的，均采用基于静力和B
41、oussinesq近似下的海洋原始方程，水平正交曲线网格，垂向坐标，变量空间配置Arakawa C格式，自由海表面，25阶湍流闭合模型求解垂向湍流黏滞和扩散系数水平湍流黏滞和扩散系数基于Smagorinsky参数化方法(1963)，祸合了完整的热力学方程。河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术vECOM模式数值计算方法的基本框架是欧拉格式，即时间前差，空间中央差，但水位方程(连续方程)的求解采用隐式，用共扼斜量法求解。模式中的动量方程分三步做时间积分。河口海岸水动力模拟技术v第一步河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术FVCOMFVCOM
42、v结合了有限元法易拟合边界、局部加密的优点和有限差分法便于离散计算海洋原始方程组的优点。有限元法采用三角形网格，给出线性无关的基函数，求其待定系数，特点是三角形网格易拟合边界、局部加密和有限差分法直接离散差分海洋原始方程组，特点是动力学基础明确、差分直观、计算高效。vFVCOM兼有两者的优点，数值计算采用方程的积分形式和更好的计算格式，使动量、能量和质量具有更好的守恒性，用于湿判断法处理潮滩移动边界，应用MelIor和YM5da的25阶湍流闭合子模型使模式在物理和数学上闭合，垂向采用变换来体现不规则的底部边界，外模和内模分裂以节省计算时间。河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水
43、动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术作业作业v近似地辽东湾纵长120海里，取辽东湾宽为60海里， 平均深度为21米。模拟该海域的潮位、潮流的时空分布。v边界条件如下：vH=2.0米，t 小时v采用如下二维潮波模型，其中k摩擦系数的选取见后表（根据汉森（Hansen，1952）的取法河口海岸水动力模拟技术h(米) 25507510015020025051.4572.9144.3725.8298.74311.65814.572100.6561.3111.9672.6233.9345.2466.557150.421
44、0.8421.2631.6842.5263.3684.210200.3100.6190.9291.2391.8582.4783.097250.2450.4900.7340.9791.4691.9582.448300.2020.4050.6070.8101.2141.6192.024350.1720.3450.5170.6901.0351.3801.725400.1500.3010.4510.6010.9021.2021.503450.1330.2660.3990.5330.7991.0651.331500.1190.2390.3580.4780.7170.9561.195750.0790.1580.2370.3160.4740.6320.7901000.0590.1180.1770.2360.3540.4720.5901500.0390.0780.1180.1570.2350.3130.392河口海岸水动力模拟技术河口海岸水动力模拟技术
