CN102567594A - 一种近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模的方法，该方法通过平面插值对海底地形进行网格化，通过SolidWorks软件构建复杂海底起伏地形，作为一数值水槽的底面，构建海平面后得到一个三维立体数值水槽，并通过岛屿形状的建模在此水槽中抠除岛屿陆地部分；在GAMBIT软件中导入上述包含岛屿及人工鱼礁区范围的数值水槽，通过计算机辅助设计对人工鱼礁进行三维立体造型，把鱼礁单体或多鱼礁组合体设置于上述数值水槽内，通过平面插值得出鱼礁位置及其所处水深，在数值水槽底部抠除人工鱼礁固体部分，经过合并后在GAMBIT中对上述数值水槽进行面网格剖分，把面网格数据导入Tgrid软件进行体网格划分，体网格数据导入CFD软件即可进行仿真模拟计算。

Description

一种近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模的方法

技术领域

本发明涉及数值模型建模领域，尤其涉及一种近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模的方法。

背景技术

人工鱼礁是投放在海洋中，用于改善海域生态环境、增殖渔业资源的人工构造物，可分为沉底式人工鱼礁和浮式人工鱼礁。进入21世纪，我国沿海各地都在建设不同规模的人工鱼礁项目。人工鱼礁投放在海底后，受到海流的作用力，会在迎流面侧产生上升流，在背流面侧产生背涡流。上升流能将海洋底层的营养盐源源不断地输送到真光层中，从而提高海域的初级生产力，进而提高经济鱼类的增殖能力；背涡流能为一些鱼类提供流速相对较缓的栖息场所；鱼礁投放后，在礁体周围形成强弱流交替的三维流场，流速不等的湍流空间能有效诱集不同的经济鱼类。因此，为使人工鱼礁发挥最大的流场调控效能，达到预期设计目的，对鱼礁投放前后的流场仿真模拟十分重要。 

小规模流场的测算模型建立在一个数值水槽中，通常整个水槽的水深相同或变化规则。在实际海域中，水深和岸线复杂多变，特别是目前我国的人工鱼礁较多地建设在近岸多岛礁的海域，这就需要建立具有实际水深变化以及岛礁岸线的数值仿真模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种一种近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模的方法，在近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模过程中，实现符合海域实际海底水深起伏以及复杂岛礁海岸线变化的问题。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，

一种近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模的方法，包括以下步骤：

a、划定需要进行建模的矩形目标海域，目标海域离开边界距离500m以上，矩形的长边平行于当地潮流主流轴方向，矩形的宽边垂直于当地潮流主流轴方向，对矩形进行网格化，长、宽边的水平网格分辨率相同，划分为m×n节点（假设m≥n），以实际海域的水深和岛屿高程为依据，利用MATLAB软件的插值函数内插得到m×n节点处的水深（平均海面以下，为负值）或岛屿高程（平均海面以上，为正值，可将最大值取为当地的最大潮高），按顺序输出n个*.sldcrv文件，文件中含m行数据，每行3列，包括有东西向的x坐标，南北向的y坐标，以及垂向的z坐标，z坐标尺度对应水深或高程值，为便于后续建模中的视觉判定，将水深或高程值扩大10倍；

b、在计算机辅助设计软件Solidworks中按顺序导入a步骤中所生成的n个*.sldcrv文件，得到n条垂向起伏的等间距线段，逐条连接这n条线段，使其产生一个底面，判断地形的起伏及岛屿分布是否与实际海域相同，拉伸这个底面至当地平均海面高程，得到一个地形起伏、包含岛礁岸线、海面水平的大型数值水槽，通过岛屿形状的建模在该数值水槽中抠除岛屿陆地部分，或者直接根据实际高程使岛屿部分不参与计算，并缩短z坐标尺度为a步骤中的1/10，使z坐标尺度与实际海域相符，导出数值水槽模型文件；

c、利用CFD软件的前处理软件导入b步骤中所导出的数值水槽模型文件，所述CFD软件的前处理软件优选Gambit和Tgrid；

d、在Gambit中生成面网格的基础上，利用Tgrid软件生成用于未投礁海域流场仿真计算的四面体网格；

e、在计算机辅助设计软件Solidworks中建立人工鱼礁三维模型，所述人工鱼礁三维模型的构造及尺寸与实际礁体完全相同；

f、在MATLAB软件中用插值函数内插得到鱼礁投放水域的实际水深，输出每个鱼礁单体对应的x，y，z坐标值，利用Gambit在c步骤所建数值水槽基础上导入e步骤中的人工鱼礁三维模型，将鱼礁单体根据上述坐标移动到位；

g、剔除f步骤中需在三维数值水槽模型内设置的人工鱼礁的三维模型所在区域，得到三维数值水槽模型剩余部分，利用CFD软件的前处理软件对剩余部分进行网格划分，得到网格模型文件；在Gambit中重新生成面网格的基础上，利用Tgrid软件生成最后用于投礁后流场仿真计算的四面体网格。

另外，b步骤中在计算机辅助设计软件Solidworks中按顺序导入a步骤所生成的n个*.sldcrv文件，得到n条垂向起伏的等间距线段，逐条连接这n条线段，使其产生一个底面，为判段地形的起伏及岛屿分布是否与实际海域相同，z坐标数据此前扩大10倍，判断所建地形正确后，将所得到的一个地形起伏、包含岛礁岸线、海面水平的大型数值水槽的垂向尺度缩短为此前的1/10；所述人工鱼礁群为复数个人工鱼礁单体的排列组合。

本发明提出的仿真建模方法可以用于近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真的建模，通过计算机辅助设计软件Solidworks对海底地形和岛礁分布以及人工鱼礁进行三维立体造型，人工鱼礁可以是鱼礁单体或多鱼礁单体的排列组合，把鱼礁单体或多鱼礁单体的排列组合设置于包含起伏海底地形及岛礁的大型数值水槽内。

最后需要剔除b步骤中大型数值水槽模型内的人工鱼礁的三维模型所在区域，然后对三维数值水槽模型进行三维网格剖分，为体现鱼礁体的复杂变化，本发明采用四面体网格，然后把得到的网格数据导入CFD软件，CFD软件优选Fluent软件。

综上所述，本发明应用计算机辅助设计技术来建立近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真模型，可以有效的克服现有建模过程中存在的各种问题，例如海底实际地形起伏变化、岛屿岸线走向复杂等，并且能保证建模的精度优于目前常用的按比例缩小的物理模型等建模方法，使用本发明方法能实现准确数值建模，几何精度可达厘米级。

附图说明

图1为solidworks导入实际海域水深曲线；

图2为solidworks通过放样曲面形成海底地形曲面；

图3为solidworks导入画基准面的两条曲线画基准面；

图4为solidworks通过凸台拉伸形成体；

图5为solidworks导入岛屿地形曲线；

图6为solidworks转换实体引用对岛屿进行拉伸切除；

图7为solidworks通过比例缩放，垂向尺度缩短为此前的1/10；

图8为Gambit导入（import）数值水槽模型的*.step文件；

图9是Gambit将人工鱼礁体与海底形成一体；

图10是Gambit通过split分块划分网格。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

本实施例中，具体建模过程如下：

1.划定需要进行建模的矩形海域4000m×4000m，水平空间分辨率相同，划分为m×n节点（假设m≥n），以实际海域的水深或岛屿高程为依据，利用MATLAB软件的插值函数内插得到m×n节点处的水深或岛屿处的高程，按顺序输出n个*.sldcrv文件中，文件中含m行数据，每行3列（包含东西向x坐标，南北向y坐标，垂向z坐标，即水深或高程）；

2.在solidworks内导入1中输出的实际海域水深曲线（图1)，通过放样曲面形成海底地形曲面（图2)，再导入画基准面（平均海面）的两条曲线画基准面(图3），通过凸台拉伸形成体（图4），然后通过导入岛屿地形曲线（图5），转换实体引用对岛屿进行拉伸切除（图6），最后通过比例缩放，垂向尺度缩短为此前的1/10（图7），导出数值水槽模型的*.step文件；

3.在Gambit下导入（import）数值水槽模型的*.step文件（图8），根据实际海域中投放人工鱼礁的位置和排列方式，在MATLAB等软件中插值函数内插得到鱼礁投放水域的实际水深，输出每个鱼礁单体对应的x，y，z坐标值,将鱼礁单体根据上述坐标移位，再通过抠除（subtract）操作将人工鱼礁体与海底形成一体（图9），为了进一步提高网格的精度，并尽量消除面网格的瓶颈，通过split分块划分网格（图10）；

4.三维数值水槽模型各个面进行属性设置：

水流进口面(In)：速度进口（velocity-inlet），流向为x轴方向，流速大小设为恒定值（即为人工鱼礁区的实测潮周期平均流速）；

水流出口面(Out)：速度出口（velocity-inlet），大小为进口面积×进口流速/出口面积，取负值；

单礁体模型表面(Reef)：固体边界（wall），并根据礁体和表面粗糙度设置固体边界的糙率；

第一侧面和第二侧面(Side1、Side2)：选用对称边界条件，在数值水槽宽度足够大的前提下（侧边界处流场已不受礁体影响），可认为在对称平面上，既无质量的交换，也无热量等物理量的交换，因此，在对称边界上，垂直于边界的速度分量为零，任何量的梯度也为零；

顶部（Top）：沉底式鱼礁的投放水域一般同时需保证通航需要，礁体顶部到海面具有一定安全水深距离，因此可忽略礁体对水位的影响，因此选用对称边界（moving wall)；

底部：选用固体边界（wall），可根据底质粒径设置固体边界的糙率，由于粗糙程度对单礁体周围整体流态的影响有限，因此对于固体边界的糙率设置的误差不会对最终测算结果造成影响；

5.将Gambit画好的网格导入到Tgrid中，首先对面网格进行修正，使其扭曲度尽量保证在0.5以下，然后生成体网格，为了降低体网格的扭曲度，进行网格加密，使其扭曲度降到0.8以下，在进行网格refine的时候，尽量保证体网格数在400万以内。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种近岸岛礁型人工鱼礁群流场仿真建模的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、划定需要进行建模的矩形目标海域，目标海域离开边界距离500m以上，矩形的长边平行于当地潮流主流轴方向，矩形的宽边垂直于当地潮流主流轴方向，对矩形进行网格化，长、宽边的水平网格分辨率相同，划分为m×n节点，m≥n，以实际海域的水深和岛屿高程为依据，利用MATLAB软件的插值函数内插得到m×n节点处的水深或岛屿高程，按顺序输出n个*.sldcrv文件，文件中含m行数据，每行3列，包括有东西向的x坐标，南北向的y坐标，以及垂向的z坐标，z坐标尺度对应水深或高程值，为便于后续建模中的视觉判定，将水深或高程值扩大10倍；

b、在计算机辅助设计软件Solidworks中按顺序导入a步骤中所生成的n个*.sldcrv文件，得到n条垂向起伏的等间距线段，逐条连接这n条线段，使其产生一个底面，判断地形的起伏及岛屿分布是否与实际海域相同，拉伸这个底面至当地平均海面高程，得到一个地形起伏、包含岛礁岸线、海面水平的大型数值水槽，通过岛屿形状的建模在该数值水槽中抠除岛屿陆地部分，或者直接根据实际高程使岛屿部分不参与计算，并缩短z坐标尺度为a步骤中的1/10，使z坐标尺度与实际海域相符，导出数值水槽模型文件；

c、利用CFD软件的前处理软件导入b步骤中所导出的数值水槽模型文件，所述CFD软件的前处理软件优选Gambit和Tgrid；

d、在Gambit中生成面网格的基础上，利用Tgrid软件生成用于未投礁海域流场仿真计算的四面体网格；

e、在计算机辅助设计软件Solidworks中建立人工鱼礁三维模型，所述人工鱼礁三维模型的构造及尺寸与实际礁体完全相同；

f、在MATLAB软件中用插值函数内插得到鱼礁投放水域的实际水深，输出每个鱼礁单体对应的x，y，z坐标值，利用Gambit在c步骤所建数值水槽基础上导入e步骤中的人工鱼礁三维模型，将鱼礁单体根据上述坐标移动到位；

g、剔除f步骤中需在三维数值水槽模型内设置的人工鱼礁的三维模型所在区域，得到三维数值水槽模型剩余部分，利用CFD软件的前处理软件对剩余部分进行网格划分，得到网格模型文件；在Gambit中重新生成面网格的基础上，利用Tgrid软件生成最后用于投礁后流场仿真计算的四面体网格。

2.根据权利要求1所述的近岸岛礁型人工鱼礁群仿真建模的方法，其特征在于，b步骤中在计算机辅助设计软件Solidworks中按顺序导入a步骤所生成的n个*.sldcrv文件，得到n条垂向起伏的等间距线段，逐条连接这n条线段，使其产生一个底面，为判断地形的起伏及岛屿分布是否与实际海域相同，z坐标数据此前扩大10倍，判断所建地形正确后，将所得到的一个地形起伏、包含岛礁岸线、海面水平的大型数值水槽的垂向尺度缩短为此前的1/10。

3.根据权利要求1所述的一种近岸岛礁型人工鱼礁群仿真建模的方法，其特征在于，所述人工鱼礁群为复数个人工鱼礁单体的排列组合。

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