CN111931373B - 虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用“虚拟仿真+数值模拟”双向融通开发波浪水槽的方法，属于波浪水槽实验技术。该方法包括：首先使用直角坐标系和C网格构架离散网格以及Fortran95程序算法建立波浪水槽数学模型；然后借助HTML和JavaScript相关技术对输入的波浪水槽模型参数进行处理，使用cmd命令和scilab科学计算软件对处理结果进行可视化呈现。本发明将虚拟仿真技术和数值模拟技术有效结合使用，能够通过设置参数指标模拟出复杂的水下动力机制环境，帮助学生牢固掌握实验教学内容；借助HTML和JavaScript相关技术对所输入的参数进行文件处理，模拟不同的水下动力机制环境；利用scilab软件将模拟结果呈现出来，使学生获得直观的感受，有助于海洋专业教学。
Description
技术领域
本发明属于波浪水槽实验技术领域，具体是一种虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法。
背景技术
目前，虚拟仿真技术在教育行业被越来越广泛的使用，这促进了现代科学信息技术与课堂教学的深度结合，但是虚拟仿真环境和现实情况只是极为相似，并没有具体明确的指标界定，这就导致了海洋技术专业的学生在进行课程相关的水下实验时，单凭借虚拟仿真技术无法获得高度仿真的水下动力环境机制，无法得到有效的实现结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种能够设定明确参数指标，高度还原水下动力环境机制的波浪水槽的方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，本发明是一种虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法，其特点是，包括以下步骤：
步骤一，建立波浪水槽数学模型：
（1）在模拟水槽中选取一竖直横向断面，取x轴水平向右，z轴垂直向上建立直角坐标系，确定好自由水面与水槽底部位置，不考虑地转因素，采用如下的控制方程：
式中：u，w分别是x轴和z轴方向上的流速分量；
t表示时间，P表示压强，ρ´表示密度超量，ρ0表示水的密度；
Ah，Az分别是水平、垂向耗散系数；Kh，Kz分别是水平、垂向扩散系数；
（2）在上述的直角坐标系中建立C网格构架离散网格，网格位置用层号i和列号k表示；
（3）使用Fortran95编写系统的程序代码，完成波浪水槽数学模型的建立。
步骤二，导入波浪水槽参数，控制模拟波浪水槽：
将水深和水槽地形参数导入建立的波浪水槽数学模型中，数学模型根据参数控制模拟波浪水槽水下动力条件。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案进一步来实现，以上所述的虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法中，在步骤一中的离散网格中，将标量P设置于网格中心，将u和w设置于标量的四周。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，以上所述的虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法中，步骤二中借助HTML和JavaScript相关技术对所输入的参数进行文件处理，利用FileSystemObject实现文件操作功能；完成参数设置后通过调用cmd命令，执行编译命令并打开scilab科学计算软件进行绘图。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，以上所述的虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法中，调用cmd命令使用ActiveXObject的WScript.Shell对象；多个cmd命令使用true和“/c”参数执行。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：本发明将虚拟仿真技术和数值模拟技术有效结合使用，通过设置参数指标，在波浪水槽实验中模拟出贴近真实的水下动力条件，帮助学生牢固掌握实验教学内容；借助HTML和JavaScript相关技术对所输入的参数进行文件处理，可以设置所需的模拟水槽参数，模拟不同的水下动力机制环境；利用scilab软件将模拟结果呈现出来，使学生获得直观的感受，有助于海洋专业教学。
附图说明
图1为本发明开发波浪水槽方法中二维垂向断面示意图；
图2为本发明中C网格构架离散网格示意图；
图3为本发明中输入参数处理的流程图。
具体实施方式
以下参照附图进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参照图1-图3，一种虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法，包括以下步骤：
步骤一，建立波浪水槽数学模型：
（1）在模拟水槽中选取一竖直横向断面，参照图1，取x轴水平向右，z轴垂直向上建立直角坐标系，确定好自由水面为在z=a处，水槽底部位置为z=-h处，不考虑地转因素，控制模拟水槽的状态方程如下：
式中：u，w分别是x轴和z轴方向上的流速分量，
t表示时间，P表示压强，ρ´表示密度超量，ρ0表示水的密度，
Ah，Az分别是水平、垂向耗散系数；Kh，Kz分别是水平、垂向扩散系数；
（2）在所述的直角坐标系中建立C网格构架离散网格，参照图2，每个网格的具体位置分别用层号i和水平方向的网格间距表示网格层号从i=1至i=n，列号从k=0，k=1到k=n；将标量P设置于离散网格的中心，将u和w设置于标量的四周；将真实对象的数值离散到计算机网格中，在计算机工作完成后，大量数据能够通过图像形象的显示出来。
（3）使用Fortran95编写系统的程序代码，完成波浪水槽数学模型的建立。
步骤二，导入波浪水槽参数，控制模拟波浪水槽：
将水深和水槽地形参数导入建立的波浪水槽数学模型中，数学模型根据参数控制模拟波浪水槽水下动力条件。
借助HTML和JavaScript相关技术对所输入的参数进行文件处理，利用FileSystemObject实现文件操作功能；完成参数设置后通过调用cmd命令，执行编译命令并打开scilab科学计算软件进行绘图；
调用cmd命令使用ActiveXObject的WScript.Shell对象；多个cmd命令使用true和“/c”参数执行。
工作时，在检测到使用者输入设定参数后，系统会定义一个临时文件，将原文件中的内容复制至临时文件，定义好要更改变量的格式，随后清空原文件，逐行遍历临时文件，在遍历过程中逐行写入原文件，在搜索到要更改的参数行后进行替换写入，并提示更改成功，否则提示匹配错误，重新进行参数设置；为了更充分的研究不同地形对上传水体波动的影响，可以分别输入缓坡陡坎和急坡陡坎两组不同的地形参数进行充分研究；本发明开发的波浪水槽将虚拟仿真技术和数值模拟技术结合在一起，通过设定参数指标，模拟出真实复杂的水下动力条件，帮助海洋专业的学生牢固全面的掌握实验教学的内容，激发其学习兴趣。
Claims (4)
1.一种虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法，其特征在于：其步骤如下，
步骤一，建立波浪水槽数学模型：
（1）在模拟水槽中选取一竖直横向断面，取x轴水平向右，z轴垂直向上建立直角坐标系，确定好自由水面与水槽底部位置，不考虑地转因素，控制模拟水槽的状态方程如下：
式中：u，w分别是x轴和z轴方向上的流速分量，
t表示时间，P表示压强，ρ´表示密度超量，ρ0表示水的密度，
Ah，Az分别是水平、垂向耗散系数；Kh，Kz分别是水平、垂向扩散系数；
（2）在所述的直角坐标系中建立C网格构架离散网格，每个网格的具体位置分别用层号i和列号k表示；
（3）使用Fortran95编写系统的程序代码，完成波浪水槽数学模型的建立;
步骤二，导入波浪水槽参数，控制模拟波浪水槽：
将水深和水槽地形参数导入建立的波浪水槽数学模型中，数学模型根据参数控制模拟波浪水槽水下动力条件。
2.根据权利要求1所述的虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法，其特征在于：在步骤一建立的离散网格中，将标量P设置于网格中心，将u和w设置于标量的四周。
3.根据权利要求1所述的虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法，其特征在于：步骤二中借助HTML和JavaScript相关技术对所输入的参数进行文件处理，利用FileSystemObject实现文件操作功能；完成参数设置后通过调用cmd命令，执行编译命令并打开scilab科学计算软件进行绘图。
4.根据权利要求3所述的虚拟仿真与数值模拟双向融通控制波浪水槽的方法，其特征在于：调用cmd命令使用ActiveXObject的WScript.Shell对象；多个cmd命令使用true和“/c”参数执行。
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