[發明專利]基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水動力耦合方法

有效

• 申請號: 202010095357.8
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111339714B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 劉曉建;段自豪;侯堋;黃春華;王世俊;朱小偉;劉誠;何用;王其松;郭輝群;陳奕芬;周晨琦;劉琴琴;鄧忠杰;岳鴻祿;黃勇
• 申請（專利權）人: 珠江水利委員會珠江水利科學研究院;中國科學院地理科學與資源研究所
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F119/14
• 代理公司: 廣州致信偉盛知識產權代理有限公司 44253
• 代理人: 彭玲

本發明公開了一種基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水動力耦合方法，包括FVCOM模型依托中尺度粗分辨率二維非結構網格，模擬三維分層流動信息，OpenFOAM模型依托小尺度細分辨率網格，模擬全三維精細流動信息；基于水位初始場和外域潮位邊界瞬時值，運用FVCOM模型計算獲得外域三維分層潮流場，結合三線插值法得到每個網格質心處的潮流數據；利用最鄰近點插值方法，首先將三維分層潮流數據從非結構網格質心處傳遞到融合區中間結構化網格節點處，隨后進一步將其傳遞到內域模型OpenFOAM邊界節點上；以到達內域模型邊界處的潮流數據作為初始值，通過計算得到潮流與海洋構筑物相互作用結果，解析構筑物近區大尺度海洋動力引起的水體飛濺和沖擊現象。

技術領域

本發明涉及潮流與海洋構筑物相互作用多尺度計算技術領域，具體為一種基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水動力耦合方法。

背景技術

近年來，海洋災害頻發，沿海地區生命財產損失嚴重，而數值模擬技術作為一種評估預測工具可有效地對海洋災害發生過程及結果進行模擬計算。但海洋潮波運動屬于大/中尺度或中尺度運動，作用于海洋構筑物時變為小尺度或微尺度運動，例如海嘯的運動尺度約1000km，而作用于構筑物后（如橋梁、房屋等）變為0.1~10m的尺度。目前，單一尺度的數值模擬技術，無法詳細解析構筑物局部大尺度海洋動力引起的水體運動，并描述構筑物表面水體飛濺、沖擊等物理現象。如：單一使用FVCOM模型數值模擬技術，可對大/中尺度或中尺度海流運動進行模擬計算，并具有較好的效果，但無法準確模擬海流作用于海洋構筑物時所產生的小尺度或微尺度渦流運動；單一使用OpenFOAM模型數值模擬技術可對海洋構筑物局部渦流運動進行模擬，并具有較高的計算精度，但無法快速模擬大/中尺度或中尺度海流運動。

發明內容

本發明目的在于提供一種基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水動力耦合方法，以實現大/中尺度與小/微尺度的水域潮流數據的耦合計算，進而評估預測海洋災害過程。

本發明所述的基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水動力耦合方法，包括以下步驟：

S1：依據海洋構筑物所處的遠端大/中尺度水域作為外域建立FVCOM模型，海洋構筑物所處的近區小/微尺度水域作為內域建立OpenFOAM模型；

S2：FVCOM模型依托粗分辨率二維非結構網格，模擬三維分層潮流流動，OpenFOAM模型依托小分辨率精細網格，模擬局部三維水體流動；

S3：基于水位初始場和外域潮位邊界瞬時值，運用FVCOM模型計算獲得外域三維分層潮流場，結合三線插值法得到每個網格質心處的潮流值；

S4：利用最鄰近點插值方法，首先將潮流數據從非結構網格質心處傳遞到融合區中間結構化網格節點處，隨后進一步將其傳遞到內域模型OpenFOAM邊界節點上；

S5：以到達內域模型邊界處的潮流數據作為初始值，通過計算得到潮流與海洋構筑物相互作用結果，解析構筑物近區大尺度海洋動力引起的水體飛濺和沖擊現象。

一種基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水動力耦合方法，通過利用水位初始場和外域潮位邊界瞬時值，采用FVCOM模型計算獲得外域三維分層潮流場，運用三線插值法得到每個網格質心處的潮值。在此基礎上，使用最鄰近點插值方法，首先將三維分層潮流數據從非結構網格質心處傳遞到融合區中間結構化網格節點處，隨后進一步將其傳遞到內域模型OpenFOAM邊界上作為邊界值。以到達內域模型邊界處的潮流數據作為初始值，通過計算得到潮流與海洋構筑物相互作用結果，建立一套行之有效的新的耦合方法，可解決大尺度潮流數據與小尺度海洋構筑物相互作用的流固耦合模擬問題，從而捕獲復雜的物理現象，如，構筑物表面產生的水體飛濺和迎水面水體爬高。并兼顧模型網格間距和計算效率，以及允許解決方案在遠場和近場之間的無縫轉換。因此該方法能夠同時并直接模擬許多之前無法處理的多尺度流固耦合問題，提高了不同尺度海流運動的高仿真模擬能力。