【摘要】：數(shù)值模擬在科學研究、工程應用與災害預測分析等方面發(fā)揮著重要作用。海洋數(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構網(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構。無結構網(wǎng)格能夠在任意局部區(qū)域?qū)W(wǎng)格加密并擬合岸線,從而克服了結構網(wǎng)格的缺陷。當前國際上知名的無結構網(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。所以需要研制具有完全自主知識產(chǎn)權的無結構網(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構網(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,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。求解鹽度平流項時,根據(jù)Darwish和Moukalled在無結構網(wǎng)格下設計物質(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構網(wǎng)格設計了一種計算上游r值的方法,并以此r值為基礎構造了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鹽度平流項格式,測試結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,水位結果與實測結果基本一致。 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、流向和鹽度驗證。率定結果整體較好,驗證的流速流向較為接近,但鹽度偏差略大,這是由于二維模式無法再現(xiàn)三維鹽水楔現(xiàn)象,以及鹽度變化與初始場等有關。 通過各種測試和率定驗證,可得出結論：模式的正壓梯度力計算和鹽度平流項格式均具有較高的精度,可應用于河口與近海區(qū)域的數(shù)值計算。
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：P714

【參考文獻】

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本文編號：2696456