無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格二維河口海洋數(shù)值模式的研制.pdf

1、數(shù)值模擬在科學研究、工程應(yīng)用與災害預測分析等方面發(fā)揮著重要作用。淘洋數(shù)值模式是對河流、海洋等水體在計算機上模擬的工具，正得到蓬勃發(fā)展。傳統(tǒng)的海洋數(shù)值模式大多采用矩形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，局部加密及擬合岸線能力有限，往往難以擬合河口、海灣或島嶼等區(qū)域復雜的岸線和工程結(jié)構(gòu)。無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠在任意局部區(qū)域?qū)W(wǎng)格加密并擬合岸線，從而克服了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的缺陷。當前國際上知名的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋模式大多來自國外，而國內(nèi)自主開發(fā)的模式尚缺少能達到國際先進水平的。所以需要研

2、制具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格河口海洋數(shù)值模式，以期通過不斷改進發(fā)展最終達到國際先進水平。
　　 本文研制了一套無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格二維河口海洋數(shù)值模式。該模式采用三角形網(wǎng)格，基于有限體積法求解。在網(wǎng)格中心(重心)求解水位，在網(wǎng)格邊的中點同時求解x-方向和y-方向流速的配置。這樣的配置既不用水平坐標轉(zhuǎn)換，能使用有限體積法直接對原始方程組進行求解，簡潔高效且易于守恒，同時也能夠較方便地處理移動潮灘邊界。模式采用垂向平均的二維控制方程組，

3、對連續(xù)方程、動量方程和鹽度方程均采用有限體積法求解，以確保守恒性。求解連續(xù)方程和鹽度方程時采用三角形網(wǎng)格作為控制體。求解動量方程時則采用圍繞邊中點的菱形作為控制體，并采用TVD格式處理流速平流項以增強穩(wěn)定性。設(shè)計了兩種方法求解正壓梯度力，第一種方法為對水位插值，再在菱形控制體中用有限體積法求解，第二種方法為先構(gòu)造4個以水位計算點為頂點的控制體，用有限體積法求解出水位梯度后，再將所得水位梯度平均。斜壓梯度力求法與正壓梯度力類似。求解鹽度平

4、流項時，根據(jù)Darwish和Moukalled在無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下設(shè)計物質(zhì)輸運TVD平流項算法的經(jīng)驗，以及Li等對其不足的分析和改進，針對本文模式的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格設(shè)計了一種計算上游r值的方法，并以此r值為基礎(chǔ)構(gòu)造了TVD格式。模式在時間上用預估修正法顯式求解以增加水動力精度，并且包含了移動潮灘邊界。
　　 通過在一個理想圓湖試驗，驗證了第二種正壓梯度力求解方法更加精確，計算結(jié)果與解析解非常接近。而通過理想往復流數(shù)值試驗測試TVD鹽度平流項

5、格式，測試結(jié)果表明該格式成功地消除了數(shù)值頻散，并有效地降低了數(shù)值耗散，但使用Superbee限制函數(shù)會造成人為的鋒面，故推薦使用Monotonic和Minimode限制函數(shù)。對黃浦江進行水動力驗證，水位結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。
　　 在長江口對模式作了率定驗證。模式在不同區(qū)域取不同底摩擦曼寧系數(shù)值，通過計算2007年8月長江口的流場，對比實測水位、流速和流向率定，并通過計算2004年末2005年初的流場和鹽度場，對比實測流速、流