CN111339714A - 基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，包括FVCOM模型依托中尺度粗分辨率二维非结构网格，模拟三维分层流动信息，OpenFOAM模型依托小尺度细分辨率网格，模拟全三维精细流动信息；基于水位初始场和外域潮位边界瞬时值，运用FVCOM模型计算获得外域三维分层潮流场，结合三线插值法得到每个网格质心处的潮流数据；利用最邻近点插值方法，首先将三维分层潮流数据从非结构网格质心处传递到融合区中间结构化网格节点处，随后进一步将其传递到内域模型OpenFOAM边界节点上；以到达内域模型边界处的潮流数据作为初始值，通过计算得到潮流与海洋构筑物相互作用结果，解析构筑物近区大尺度海洋动力引起的水体飞溅和冲击现象。

Description

基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法

技术领域

本发明涉及潮流与海洋构筑物相互作用多尺度计算技术领域，具体为一种基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法。

背景技术

近年来，海洋灾害频发，沿海地区生命财产损失严重，而数值模拟技术作为一种评估预测工具可有效地对海洋灾害发生过程及结果进行模拟计算。但海洋潮波运动属于大/中尺度或中尺度运动，作用于海洋构筑物时变为小尺度或微尺度运动，例如海啸的运动尺度约1000km，而作用于构筑物后（如桥梁、房屋等）变为0.1~10m的尺度。目前，单一尺度的数值模拟技术，无法详细解析构筑物局部大尺度海洋动力引起的水体运动，并描述构筑物表面水体飞溅、冲击等物理现象。如：单一使用FVCOM模型数值模拟技术，可对大/中尺度或中尺度海流运动进行模拟计算，并具有较好的效果，但无法准确模拟海流作用于海洋构筑物时所产生的小尺度或微尺度涡流运动；单一使用OpenFOAM模型数值模拟技术可对海洋构筑物局部涡流运动进行模拟，并具有较高的计算精度，但无法快速模拟大/中尺度或中尺度海流运动。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，以实现大/中尺度与小/微尺度的水域潮流数据的耦合计算，进而评估预测海洋灾害过程。

本发明所述的基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，包括以下步骤：

S1：依据海洋构筑物所处的远端大/中尺度水域作为外域建立FVCOM模型，海洋构筑物所处的近区小/微尺度水域作为内域建立OpenFOAM模型；

S2：FVCOM模型依托粗分辨率二维非结构网格，模拟三维分层潮流流动，OpenFOAM模型依托小分辨率精细网格，模拟局部三维水体流动；

S3：基于水位初始场和外域潮位边界瞬时值，运用FVCOM模型计算获得外域三维分层潮流场，结合三线插值法得到每个网格质心处的潮流值；

S4：利用最邻近点插值方法，首先将潮流数据从非结构网格质心处传递到融合区中间结构化网格节点处，随后进一步将其传递到内域模型OpenFOAM边界节点上；

S5：以到达内域模型边界处的潮流数据作为初始值，通过计算得到潮流与海洋构筑物相互作用结果，解析构筑物近区大尺度海洋动力引起的水体飞溅和冲击现象。

一种基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，通过利用水位初始场和外域潮位边界瞬时值，采用FVCOM模型计算获得外域三维分层潮流场，运用三线插值法得到每个网格质心处的潮值。在此基础上，使用最邻近点插值方法，首先将三维分层潮流数据从非结构网格质心处传递到融合区中间结构化网格节点处，随后进一步将其传递到内域模型OpenFOAM边界上作为边界值。以到达内域模型边界处的潮流数据作为初始值，通过计算得到潮流与海洋构筑物相互作用结果，建立一套行之有效的新的耦合方法，可解决大尺度潮流数据与小尺度海洋构筑物相互作用的流固耦合模拟问题，从而捕获复杂的物理现象，如，构筑物表面产生的水体飞溅和迎水面水体爬高。并兼顾模型网格间距和计算效率，以及允许解决方案在远场和近场之间的无缝转换。因此该方法能够同时并直接模拟许多之前无法处理的多尺度流固耦合问题，提高了不同尺度海流运动的高仿真模拟能力。

综上，为了克服原始Navier-Stokes方程求解过程中的黏性流体计算量大、速度较慢的缺点，本发明结合求解大范围三维分层潮流场的FVCOM开源模型和求解局部精细尺度全三维潮流动力的OpenFOAM开源模型建立了多尺度水动力耦合方法。在耦合模型的外域，通过FVCOM数值模型计算潮流，获得水位、流速等潮流动力变化。在耦合模型的内域，采用OpenFOAM模拟精细尺度流体动力变化。耦合模型相比于单纯的OpenFOAM模型，可以缩小计算区域，从而减小计算量；相较于单纯的FVCOM模型，可以获得海洋构筑物近区全三维精细尺度动力特征，提高模型精度和应用范围。

附图说明

图1为本发明FVCOM与OpenFOAM模型多尺度水动力耦合方法流程图；

图2为本发明模拟FVCOM和OpenFOAM模型多尺度潮流传播耦合示意图；

图3本发明FVCOM与OpenFOAM模型网格分布示意图；

图4本发明FVCOM与OpenFOAM模型耦合数据传递示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，包括以下步骤：

依据海洋构筑物所处的远端大/中尺度水域作为外域建立FVCOM模型，海洋构筑物所处的近区小/微尺度水域作为内域建立OpenFOAM模型； FVCOM模型依托粗分辨率二维非结构网格，模拟三维分层潮流流动，OpenFOAM模型依托小分辨率精细网格，模拟局部三维水体流动；基于水位初始场和外域潮位边界瞬时值，运用FVCOM模型计算获得外域三维分层潮流场，结合三线插值法得到每个网格质心处的潮流值；利用最邻近点插值方法，首先将三维分层潮流数据从非结构网格质心处传递到融合区中间结构化网格节点处，随后进一步将其传递到内域模型OpenFOAM边界节点上；以到达内域模型边界处的潮流数据作为初始值，通过计算得到潮流与海洋构筑物相互作用结果。

在模型外域设置粗分辨率二维非结构网格，网格间距介于2m~200m之间，采用中尺度FVCOM模型模拟大范围三维分层潮流运动，如图3所示。FVCOM的原始方程主要包含动量方程、质量连续方程以及温度、盐度和密度方程等。在物理和数学上用Mellor-Yamada 2.5阶垂向湍流闭合模型及 smagorinsky水平湍流闭合模型对方程组进行闭合。在垂向上使用σ坐标系或通用垂向坐标系对不规则底部地形进行拟和，在水平上利用非结构三角形网格对水平计算区域进行空间离散。模型计算完成后，对三维分层非结构化网格节点数据进行三线插值，得到每个网格质心处的潮流数据，包括流速u、水位h、湍流动能k等。

融合区设置中间网格,将FVCOM模型计算得到的三维分层潮流数据通过最邻近点插值方法传递到中间网格上，中间网格为结构性网格，即耦合作用区，如图4所示，从点c(u,h,k)到点c(u',h',k')过程。

对OpenFOAM模型控制的小尺度内域进行精细化处理，三维网格的每个网格间距离尺度为0.1m~10m之间。为了更好的捕捉构筑物附近流体动力变化，一般可根据海洋构筑物的特征，将三维网格划分为结构性网格或非结构性网格，如图3所示，因此三维网格可以是四面体、六面体，或者它们之间的组合。

采用最邻近点插值方法将潮流数据从中间网格传递到OpenFOAM模型控制的内域边界上，即图4中点c(u',h',k')到点c(u'',h'',k'')过程。利用swak4Foam工具将达到三维网格边界的潮流数据进行初始化赋值，并采用interFoam作为内域模型求解器。

在FVCOM模型与OpenFOAM模型潮流数据传递过程中，中间网格的引入，提高了FVCOM模型与OpenFOAM模型间解决方案的传递效率，避免了如果FVCOM模型为非结构性网格，OpenFOAM模型同样为非结构性网格时，两个模型间直接数据传递引起的过程复杂、时间过长问题。

内域模型OpenFOAM以有限体积法FVM离散模型空间网格，以Eular方法离散时间项，将计算域离散成单元体后，物理量分布在单元网格的质心上。将单元体上的积分方程转化为用单元体中心物理量表示的代数方程，最后得到方程组数值解。

同时，使用流体体积函数（VOF）方法捕捉复杂的水面变化，并采用Gauss Muscl格式求解体积分数方程中的对流项，此外为更好的重构水气界面，模型中引入了GaussInterface Compression格式的界面压缩项。潮流传播过程中的速度压强的耦合计算采用PIMPLE算法，离散后的线性方程组采用预条件双共轭梯度法求解。

通过内域模型OpenFOAM计算，得到潮流与海洋构筑物的相互作用结果，解析大范围海洋动力作用下，局部小尺度构筑物附近的水体飞溅和冲击现象。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，其特征在于,包括以下步骤：

S1：依据海洋构筑物所处的远端大/中尺度水域作为外域建立FVCOM模型，海洋构筑物所处的近区小/微尺度水域作为内域建立OpenFOAM模型；

S2：FVCOM模型依托粗分辨率二维非结构网格，模拟三维分层潮流流动，OpenFOAM模型依托小分辨率精细网格，模拟局部三维水体流动；

S3：基于水位初始场和外域潮位边界瞬时值，运用FVCOM模型计算获得外域三维分层潮流场，结合三线插值法得到每个网格质心处的潮流值；

S4：利用最邻近点插值方法，首先将三维分层潮流数据从非结构网格质心处传递到融合区中间结构化网格节点处，随后进一步将其传递到内域模型OpenFOAM边界节点上；

S5：以到达内域模型边界处的潮流数据作为初始值，通过计算得到潮流与海洋构筑物相互作用结果，解析构筑物近区大尺度海洋动力引起的水体飞溅和冲击现象。

2.根据权利要求1所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，其特征在于，步骤S4还包括：

S4-1：融合区设置了中间网格,采用非结构性网格与中间结构性网格最邻近点插值方法，将外域模型FVCOM计算获得的三维分层潮流数据传递至中间网格上;

S4-2：中间结构性网格与内域模型网格同样采用最邻近点插值方法，将潮流数据从中间结构性网格传递至三维精细模型OpenFOAM的边界处。

3.根据权利要求2所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，其特征在于，所述中间网格为结构性网格。

4.根据权利要求1所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，其特征在于，所述FVCOM模型计算大/中尺度的水域潮流数据,所述OpenFOAM模型计算小/微尺度的水域潮流数据。

5.根据权利要求1所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，其特征在于，所述潮流数据至少包括流速、水位、湍流动能。

6.根据权利要求1所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，其特征在于，步骤S2中OpenFOAM模型依托小分辨率精细网格，模拟局部三维水体流动，精细网格的网格尺度为0.1m~10m之间。

7.根据权利要求6所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，其特征在于，步骤S2中的小分辨率精细网格包括结构性三维网格和非结构性三维网格。

8.根据权利要求1所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，所述二维非结构性网格的每个网格之间的距离尺度大于三维网格的每个网格距离尺度。

9.根据权利要求1所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，在步骤S5中，利用swak4Foam工具对到达三维网格边界处的潮流数据作为初始值进行赋值。

10.根据权利要求1所述基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法，在步骤S5中，对潮流数据进行计算，采用interFoam作为内域求解器。

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