[发明专利]基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)选择要计划布置斜坡式潜堤的目标海域，并获取对应海域的海图资料；

步骤(2)根据海图资料确定目标海域的陆地边界，结合海图资料和实测水深地形数据，建立目标海域的水深地形数据离散点；

步骤(3)利用非结构网格对步骤(2)所述目标海域计算区域进行空间离散，对于计划布置斜坡式潜堤的区域加密网格，选择模拟计算波浪近海传播的波浪水动力数值模型；

步骤(4)在步骤(3)获得的非结构网格上，对步骤(2)获得的地形数据离散点进行插值，用于模型计算；

步骤(5)收集目标海域的风速资料，利用风速资料按照相关规范方法，推求目标海域边界的深水波要素，作为步骤(4)中的非结构网格的边界条件，设定模型初始参数；

步骤(6)结合斜坡式潜堤的建筑材料和坡度，在潜堤的计划布置位置，拟建斜坡式潜堤，引入和水深相关联的随时间变化的糙率值，在此基础上进行数值模拟计算；

步骤(7)利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算，得到目标海域站点的有效波高和平均周期统计值，与实测资料进行比对、验证；若模拟结果和实测资料的误差不满足要求，调整模型参数，重复步骤(5)和(6)直到模型验证误差满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(3)中所述模型为谱波浪模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(5)中模型初始参数包括糙率、计算时间步长和波浪破碎系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(5)中所述深水波要素包括平均波高、有效波高和平均周期。

5.根据权利要求4所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(6)中引入和水深相关联的随时间变化的糙率值进行数值模拟计算的方法为：

依据拟建斜坡式潜堤的建筑材料和坡度设计，按1：50比例尺建造斜坡式潜堤模型，放置于重力式开放水槽中，在不同水深条件下测量水槽的过水面积A、水力半径R和流量Q，按下式计算水槽糙率n：

式中，J为水槽坡度，为1/100，如此得到不同水深对应的不同糙率；根据1：50比尺，将物理模型试验结果获得的水深-糙率关系，依据水工模型试验已有方法换算至实际海域的水深-糙率对应值，如表3所示：

表3 海域的水深-糙率对应值

水深(m)	0.1	1	5	10	20
糙率	0.125	0.075	0.005	0.001	0.0005

。

6.根据权利要求5所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(7)中利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算，得到目标海域站点的有效波高和平均周期统计值的方法为：

谱波浪模型如下公式所示：

式中，N(x,σ,θ,t)为谱密度，由计算，E为波浪能量密度，由波浪有效波高H_1/3和波浪周期T确定，E＝0.5(H_1/3)²T；σ为相对频率；x(x,y)为坐标方向；为波群在x,y，σ和θ这4个方向的传播速度；θ为波浪传播方向；S为使方程能量守恒的源项，代表能量的输入输出，如下：

S＝S_bot+S_surf (2)

式中，S_surf为波浪破碎引起的能量损耗；S_bot为由于底摩擦引起的能量损耗，如下计算：

式中，C_f是底摩阻系数，k是波数，d为水深，取C_f＝Kn，K为常系数，取值为20；n为糙率；

式中，γ为波浪破碎系数；

假设当前计算时间为t，则可通过上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得目标海域的有效波高H_1/3和步骤(2)中的水深地形数据确定潜堤布置处当前计算时间的水深；若上一时间步潜堤布置处的有效波高为H₁，步骤(2)中的水深数据为H₂，则当前时间步t潜堤布置处的水深H＝H₁+H₂，依据当前时间步t潜堤布置处的水深查表3，确定斜坡式潜堤布置处的水底糙率n，则可获得当前时间步潜堤布置处的底摩阻系数；

根据上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得了整个计算海域的平均波高H、有效波高H_1/3和平均周期T参数，根据波浪色散方程计算波浪波数k，如下所示：

式中，L为潜堤布置处波浪平均波长；此外根据E＝0.5(H_1/3)²T，计算潜堤布置处的波浪能量密度，则根据式(3)更新潜堤布置处底部摩擦引起的能量损耗S_bot；

由上一时间步输出的波浪平均周期T、上一时间步输出的有效波高H_1/3、波浪破碎系数γ，由公式(4)计算当前时间步中式(2)中由波浪破碎引起的能量损耗S_surf，获得当前时间步t的S_bot和S_surf，代回式(1)，对式(1)进行求解，获得当前时间步t的平均波高、有效波高和平均周期。