【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及近海波浪模擬，尤其涉及一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法。
技術(shù)介紹
1、傳統(tǒng)的硬防護(hù)措施，如海堤、防波堤和丁壩，歷來(lái)被用作減輕海岸災(zāi)害的常規(guī)方法。然而，在海岸線附近建設(shè)傳統(tǒng)硬結(jié)構(gòu)物的潛在負(fù)面影響越來(lái)越多地被納入海岸管理的考慮范圍。這種硬結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)海岸生態(tài)系統(tǒng)和海灘等自然特征產(chǎn)生負(fù)面影響；此外，與許多基于自然的解決方案不同，這種硬結(jié)構(gòu)大多是非適應(yīng)性的，因此不能應(yīng)對(duì)環(huán)境變化，例如海平面上升作出響應(yīng)。
2、以透空式牡蠣礁防波堤（指牡蠣自然聚集并附著在較老的貝殼、巖石或水下表面，形成巖石狀的牡蠣礁結(jié)構(gòu)）為基礎(chǔ)的生物海岸線作為一種保護(hù)海岸線的可持續(xù)方法逐漸發(fā)展，因?yàn)樗鼈兡軌蛞种撇ɡ撕徒档土魉伲瑥亩€(wěn)定和增加沉積物，從而減輕海岸線的侵蝕；且利用牡蠣殼建造的人工防波堤，促進(jìn)牡蠣幼蟲的定居，特別是在低能量波浪氣候和豐富的牡蠣種群的地區(qū)。
3、在進(jìn)行透空式牡蠣礁防波堤建設(shè)前，需要采用波浪水動(dòng)力模型模擬工程建設(shè)前后的波浪場(chǎng)變化情況，用以評(píng)估防波堤建設(shè)的環(huán)境影響以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而目前針對(duì)防波堤的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬多采用改變局部水深和糙率的方式，并且需要將潛堤區(qū)域的網(wǎng)格加密至極小的尺寸，計(jì)算量大，嚴(yán)重依賴計(jì)算資源；此外，現(xiàn)有模擬方法依據(jù)的計(jì)算公式多針對(duì)光滑非透空潛堤或由特定尺寸塊石組成的拋石堤，然而透空式牡蠣礁防波堤具有幾何復(fù)雜性、多孔透水性、銳緣性以及不同的材料特性。
4、因此，如何考慮透空式牡蠣礁防波堤的波浪透射特性，準(zhǔn)確的模擬工程建設(shè)對(duì)波浪水動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)的影響，并且提高計(jì)算效率，是目前亟待解
5、鑒于此，特提出此專利技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，可以保證計(jì)算效率，且考慮了牡蠣礁防波堤的波浪透射特性，能夠準(zhǔn)確的模擬工程建設(shè)對(duì)波浪水動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)的影響。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用了如下技術(shù)方案：
3、一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，防波堤為透空式牡蠣礁防波堤，所述的方法包括如下步驟：
4、s1：確定目標(biāo)海域，并收集目標(biāo)海域的海圖資料和水深地形數(shù)據(jù)，其中目標(biāo)海域指計(jì)劃布置防波堤的海域；
5、s2：確定目標(biāo)海域的岸線位置，建立目標(biāo)海域的水深地形數(shù)據(jù)庫(kù)；
6、s3：設(shè)置網(wǎng)格精度，利用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)建目標(biāo)海域的波浪水動(dòng)力二維模型，當(dāng)需要計(jì)算防波堤與波浪相互作用時(shí)，通過(guò)如下波浪傳播方程進(jìn)行計(jì)算：
7、，
8、公式中，kt為透射系數(shù)，rc為潛堤的干舷，hmoi為入射有效波高，b為堤頂寬度，ξ為等效波陡系數(shù)；
9、s4：設(shè)置用于驅(qū)動(dòng)波浪水動(dòng)力二維模型的邊界條件，并設(shè)置初始參數(shù)；
10、s5：基于s3構(gòu)建的波浪水動(dòng)力二維模型，利用亞網(wǎng)格方法對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行數(shù)值模擬，得到目標(biāo)海域的特征波高和周期數(shù)據(jù)。
11、進(jìn)一步，所述s2中，根據(jù)海圖資料確定目標(biāo)海域的岸線位置。
12、進(jìn)一步，所述s3中的波浪水動(dòng)力二維模型為基于譜密度方程構(gòu)建的設(shè)置防波堤的目標(biāo)海域的波浪水動(dòng)力二維模型。
13、進(jìn)一步，基于譜密度方程構(gòu)建的設(shè)置透空式防波堤的目標(biāo)海域波浪水動(dòng)力二維模型，使用的譜密度方程如下：
14、，
15、公式中，n為作用密度參數(shù)，cx和cy分別為x和y方向上的傳播速度，cσ和cθ分別為空間方向σ和θ上的傳播速度，s為源項(xiàng)，t為時(shí)間。
16、進(jìn)一步，所述s3中ξ的計(jì)算公式如下：
17、，
18、公式中，α為潛堤的坡度，l0p為深水波長(zhǎng)。
19、進(jìn)一步，rc/hmoi的取值范圍如下：-4.3<rc/hmoi<0；b/hmoi的取值范圍如下：b/hmoi>10。
20、進(jìn)一步，所述s4中，收集目標(biāo)海域常海況和極端海況下的波浪數(shù)據(jù)，用于驅(qū)動(dòng)波浪水動(dòng)力二維模型的邊界條件。
21、進(jìn)一步，驅(qū)動(dòng)波浪水動(dòng)力二維模型的邊界條件包括：目標(biāo)海域常海況的潮位和波浪條件，以及經(jīng)受極端天氣時(shí)間的潮位和波浪條件。
22、進(jìn)一步，所述s3中，初始參數(shù)包括：目標(biāo)海域的糙率、計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)、和波浪破碎指標(biāo)。
23、本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：
24、1、在構(gòu)建的波浪水動(dòng)力二維模型，改進(jìn)了波浪傳播方程用以計(jì)算透空式牡蠣礁防波堤與波浪的相互作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型通過(guò)改變局部水深和糙率模擬的不足，解決了傳統(tǒng)模型忽略透空式牡蠣礁防波堤的幾何復(fù)雜性、多孔透水性、銳緣性以及不同的材料特性的局限性，能夠更真實(shí)、更準(zhǔn)確地反映波浪在透空式牡蠣礁防波堤周圍的傳播、變形和消散過(guò)程。
25、2、由于改進(jìn)了波浪傳播方程，可利用亞網(wǎng)格方法對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行數(shù)值模擬，避免了傳統(tǒng)模型對(duì)網(wǎng)格的高分辨率要求，可在中等尺度網(wǎng)格下模擬，節(jié)省了計(jì)算資源，進(jìn)而可保證計(jì)算效率。
26、3、考慮了透空式牡蠣礁防波堤的實(shí)際影響，在中等尺度網(wǎng)格條件下，能夠快速準(zhǔn)確的模擬不同動(dòng)力條件下波浪場(chǎng)的波高、周期等關(guān)鍵特性的時(shí)空分布情況，能夠更真實(shí)、更準(zhǔn)確地反映波浪在防波堤周圍的傳播、變形和消散過(guò)程，進(jìn)而可更準(zhǔn)確地評(píng)估防波堤對(duì)周圍海域的波浪傳播影響，為對(duì)于防波堤的設(shè)計(jì)和環(huán)境影響評(píng)估提供更可靠的預(yù)測(cè)和決策支持。
27、4、在海洋工程、海岸防護(hù)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景；通過(guò)為工程設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供可靠的技術(shù)支持，本專利技術(shù)的方案有助于提升透空式牡蠣礁防波堤的防波性能、減少海岸侵蝕、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為沿海地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。可采用matlab對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理、繪圖，可視化透空式牡蠣礁潛堤的波浪水動(dòng)力環(huán)境場(chǎng)，為工程設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供可靠的技術(shù)支持。
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1.一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，防波堤為透空式牡蠣礁防波堤，所述的方法包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述S2中，根據(jù)海圖資料確定目標(biāo)海域的岸線位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述S3中的波浪水動(dòng)力二維模型為基于譜密度方程構(gòu)建的設(shè)置防波堤的目標(biāo)海域的波浪水動(dòng)力二維模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，基于譜密度方程構(gòu)建的設(shè)置透空式防波堤的目標(biāo)海域波浪水動(dòng)力二維模型，使用的譜密度方程如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述S3中ξ的計(jì)算公式如下：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，RC/Hmoi的取值范圍如下：-4.3<RC/Hmoi<0；B/Hmoi的取值范圍如下：B/Hmoi>10。
7.根據(jù)權(quán)利要
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，驅(qū)動(dòng)波浪水動(dòng)力二維模型的邊界條件包括：目標(biāo)海域常海況的潮位和波浪條件，以及經(jīng)受極端天氣時(shí)間的潮位和波浪條件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述S3中，初始參數(shù)包括：目標(biāo)海域的糙率、計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)、和波浪破碎指標(biāo)。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，防波堤為透空式牡蠣礁防波堤，所述的方法包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述s2中，根據(jù)海圖資料確定目標(biāo)海域的岸線位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述s3中的波浪水動(dòng)力二維模型為基于譜密度方程構(gòu)建的設(shè)置防波堤的目標(biāo)海域的波浪水動(dòng)力二維模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，基于譜密度方程構(gòu)建的設(shè)置透空式防波堤的目標(biāo)海域波浪水動(dòng)力二維模型，使用的譜密度方程如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)置防波堤海域的波浪水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述s3中ξ的計(jì)算公式如下：
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁丙臣，孟野，李子旺，王振魯，楊博，張婧，張紅，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)海洋大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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