基于fvcom的连云港海域泥沙模拟实验本科毕业论文(编辑修改稿)

基于fvcom的连云港海域泥沙模拟实验本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

以它能更加精确的模拟复杂的海岸线，并且能对局部三角形网格进行指定加密处理，但是它的计算速度比较慢。 FVCOM 模式结合了有限差分法和有限体积法的优点，通过使用体积通量的积分方法来求得流体动力学方面的原始控制方程组，如连续方程、动量方程、温度、盐度和密度方程和湍流闭合方程等。 这样它可以保证在单一的网格和整个计算区域部分上都可以同时满足能量、质 量和动量的守恒定律，所以利用这些控制方程组可以解决海洋数值计算中一些最关键的问题。 此外，这模式还有以下主要的特征： 垂向混合系数 FVCOM 模式的垂向混合系数由二阶湍流闭合模型所确定的， 可以很好地模拟湍流层之间的动力因素， 在一定程度上排除了人为因素的干扰。 但 是因为风场在时间和空间上过度平滑，所以 这模型计算出来的的厚度比较浅。 α坐标系 FVCOM 模式在垂直方向上采用 α坐标系，当 模拟大陆架斜坡与河口等变化显著的 地形时使用 α坐标系是非常有效果的。 此外，底边界层是否模拟成功，对于研究深水的形成过程也具有重 要作用。 网格分布 FVCOM 模式的水平方向采用的是无结构化的三角形网格模式，可以对关心区域进行局部加密处理，并且可以比较好的地模拟复杂的海岸线边界和海底淮海工学 院二〇一三届 本科毕业设计（论文） 第 5 页 共 19 页 地形。 泥沙模型 FVCOMSED 实体模型 鉴于泥沙的实体模型模拟其化学过程比较难，而且没有很大的必要，所以实体模型它是指将发生在原来模型里的力学过程，把它在相似的物理条件下，经过放大或缩小后在经验证后的模型中重演，由此对模型的各方面参数进行测量、记录及分析，然后根据相关条件还原到原来的模型中，达到研究模型力学过程等目的。 由于它可以人为控制一些相对主要的因素而省略其次要因素，这使得研究人员容易改变流量、水位等其他研究因素，所以泥沙实体模型典型性比较强，能够较方便的优化研究的设计方案。 数学模型 泥沙数学模型它是在计算机的基础上，以流体力学和数学理论作为支撑，对泥沙和水流及其它力学现象通过局部加密处理求得近似值来模拟实际力学效果。 这种理论预测计算方法因为泥沙模型的控制方程是不封闭的，并且本身的基础数学理论有一些空白，这使得研究人员必须作出某些相关的假定，运用半理论半经验的控制方程来完善所研究的问题，从而各式各样的 泥沙数学模型相继产生。 复合模型 二十世纪七十年代 ,有学者提出将物理模型和数学模型联系在一块进行模拟，复合模型理念由此产生。 一般而言，物理模型可用来模拟细节问题，比如网格感兴趣区域加密处理，泥沙数学模型可对实体模型进行整体把握，对于开边界的处理比较恰当，模型初始条件的设置也较为合理。 复合模型综合了上述两者的优点，完成了三峡工程、长江葛洲坝工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题等。 无论是物模还是数模，都是简化研究的一种手段，但就复合模型而言，这肯定比数学模型和实体模型更具有生命力。 控制方程组 FVCOM 模式它垂向采用的是 α坐标系，它与 Z 坐标系之间的变化关系如下： * * *, , ,。 zzx x y y t tHD      （ 21） 其中 x， y， z 分别是笛卡尔坐标系的空间变量， t 是时间变量； x*， y*分别是 α坐标系的空间自变量， t*是 α坐标系的时间自变量； H 为水深， ζ 为海平面的波高。 那么可得到海面为 α = 0，海底 α = 1。 淮海工学 院二〇一三届 本科毕业设计（论文） 第 6 页 共 19 页 FVCOM 模型的控制方程组由连续方程、动量方程、温度、盐度和密度方程以及湍流闭合方程组成，它们在 α坐标系中如下： （ 1）连续方程 0D u D v wt x y           （ 2— 2） （ 2）动量方程  20 139。 mxouDuD uv D uw f v Dt x ygD D ugD D d K D Fx x x D                                  （ 2— 3）  20 139。 myovDv D u v D v w fu Dt x yg D D vg D D d K D Fy y y D                            （ 2— 4） （ 3）温度、盐度和密度方程 1 hTTD Tu D Tv D Tw TK D H D Ft x y D                  （ 2— 5） 1 hS D S u D S v D S w SK D F st x y D                 （ 2— 6）  ,TS （ 2— 7） （ 4）湍流闭合方程 2 2 2 2 212 ( )s b q qq D q u D q v D q w qD P P K D Et x y D                    （ 2— 8） 2 2 2 2 21l s b q llq l D q l u D q l v D w q l w W q ll E D P P K D Ft x y E D                       （ 2— 9） 其中， u、 v 和 w 为 x、 y 和 z 三个方向上各自速度的分量； T 为位温 ； S是盐度； f 是科氏力参数； P 为压力；  是密度； 边界条件 海面的边界条件是在 σ = 0 处： 淮海工学 院二〇一三届 本科毕业设计（论文） 第 7 页 共 19 页  0,sx symu v DK     ； EP  （ 2— 10）    , , , , 0 ,nPhD Q x y t S W x y tcK  （ 2— 11） 2 2 2 / 3 21。 0。 shS P E DSq l q BK      （ 2— 12） 海底的边界条件是在 σ = 1 处：  0,bx bymu v DK     ；。 bQ （ 2— 13） 22ta n。 0。 ta nHhHAD qlK A D n      （ 2— 14） 2 2 / 3 212ta n。 ta nH bhHS A D S q B uK A D n     （ 2— 15） 其中 ,sx sy与 ,bx by分别是海面的风应力与底应力。 陆地的边界条件分别取通量与法向速度为 0 ，即 0。 0。 0n TSv nn   （ 2— 16） 三角形网格的设计 三角形网格法与有限元法有相似之处，这个模式将计算的区域划分成许多不重合、无结构的三角形网格。 它的每个划分出的三角形单元是由一个中心和三个节点外加三边组成的。 用 N 和 M 来分别表示所研究的海域区域内三角形中心和节点的总数目，则三角形中心的坐标就可以被我们表示为 [X(i),Y(i)]， I = 1:N 同样，节点的坐标可以表示为 [Xn(j),Yn(j)]， j =1:M 由于三角形网格相互不重合，所以 N 也是三角形网格的数目。 在我们划分的三角形单元内，三角形的三个节点可以用整数 Nj(j)来表示，其中， j 的值按规定是顺 时针方向由 l 到 3。 有公共边的相邻三角形我们用整数 NBEj(j)来 标号，其中， j 按顺时针方向由 l 到 3 来 记数。 在海岸固定边界处和开边界处， NBEj(j)取值为 0。 然后在每个节点上，与这些边界处相邻三角形的个数计录为 NT(j)，淮海工学 院二〇一三届 本科毕业设计（论文） 第 8 页。