CN112487663B - 能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，包括：将工程局部范围水域划分为多个子区域，并确定模型比尺；在各个子区域内分别布置测量仪器构建物理模型，并通过物理模型得到物理模型子区域结果总波能H2 S；通过建立的工程局部范围水域的数学模型得到绕射波能H2 R；通过以物理模型子域中无效模拟范围以及未包含的局部工程水域作为模拟范围构建的子域数学模型得到除物理模型有效区域以外工程区域内的绕射波能H2 R1；由H2 S、H2 R以及H2 R1计算得到物理模型有效区域范围以外工程水域的总波能。其通过将物理模型，数学模型和理论分析合理结合，实现了对大尺度港池全水域波要素的高效模拟，能够适应快节奏工程应用需要。

Description

能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法
技术领域
本发明涉及港口、海岸及近海工程波浪要素研究技术领域，特别涉及一种能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法。
背景技术
波浪要素是港口、海岸及近海工程研究、设计、施工中最重要的环境动力要素之一。为了科学合理的设计码头和防波堤工程，需要根据工程所在海域深水波浪要素，推算工程方案实施后，工程局部范围水域波浪场。目前常规的研究方法是，1.使用能量方程建立大范围数学模型，将深水波要素推算至工程附近浅水水域。该方法的缺点遇到结构物的绕射和反射模拟精度较低，因此对于工程局部范围水域一般不采用该方法。该方法的优点是计算效率较高，一般用于模拟大范围开敞海域波能变化过程，并为工程局部小范围模型提供边界条件。2.对于工程局部范围水域，使用考虑波浪非线性和色散性的浅水方程建立局部小范围数学模型，模拟工程局部范围水域波浪场。该方法的缺点是不能直接模拟波浪与结构物作用过程中的波面严重变形、破碎、透射以及越浪等复杂的波能传递和转化过程，尤其对于复杂的三维开孔透空结构。为了提高计算效率一般采用浅水方程，也不能模拟水深较大的工况。解决上述问题，可以通过补充自由水面方程和不做浅水假定还原控制方程的方法实现，缺点是计算量较大，不能满足工程应用的快节奏需求。另外，物理模型试验也是开展相关研究的重要手段。但是考虑到试验设备(造波机)、试验场地以及试验精度(例如，防波堤存在开孔或者透空结构，模型比尺不宜过小)的限制，对于大尺度的港池，一般采用分区域模拟，子区域单独模拟很难考虑相邻子区域的影响。以小洋山北侧港区为例，所研究的港区水域面积长6km，宽约1km。为了准确模拟防波堤透空结构的透射过程，考虑透空宽度1m，模型比尺选为1:60。如果仅考虑波浪正向作用试验场地至少要长110m，同样造波机也需要近100m，对于波浪斜向作用的工况，所需要的的尺度更大。这样的试验条件几乎无法实现，因此只能采用分区域的方式模拟。
基于上述工程实践中常遇到的问题，亟待开发一种高效的可以考虑防波堤透浪和越浪的大尺度港池全水域波要素模拟方法。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，通过将物理模型，数学模型和理论分析合理结合，实现了对大尺度港池全水域波要素的高效模拟，能够适应快节奏工程应用的需要。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，包括以下步骤：
S1、根据实际因素将工程局部范围水域划分为多个子区域，并确定模型比尺；
S2、在各个子区域内分别布置测量仪器，以构建各个子区域的物理模型，并通过所述物理模型模拟得到物理模型子区域结果总波能H2 S；其中，物理模型子区域结果总波能H2 S由绕射波能H2 R、越浪波能H2 Y和透射波能H2 L三部分组成，并用公式1表示：
H2 S＝H2 Y+H2 L+H2 R 公式1；
S3、建立工程局部范围水域的数学模型，通过所述数学模型模拟得到绕射波能H2 R；
S4、以物理模型子域中无效模拟范围以及未包含的局部工程水域作为模拟范围构建子域数学模型，通过所述子域数学模型模拟得到除物理模型有效区域以外工程区域内的绕射波能H2 R1；
S5、由H2 S、H2 R以及H2 R1计算得到所述物理模型有效区域范围以外工程水域的总波能H2 S1，并用公式2表示：
H2 S1＝H2 Y+H2 L+H2 R1 公式2。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，所述实际因素包括：工程设计方案、水文数据、水深数据、试验研究数据，试验设备数据，以及试验场地数据中的一种或多种。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，S2中，在各个子区域内分别布置测量仪器除包括按照技术要求在各个子区域内布置的测量仪器外，还包括在每个子区域内另外布置的不少于3台用于同步测量波浪特性的测量仪器。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，利用另外布置的测量仪器同步测量各测量点的波浪特性，并通过分析各个测量点的波浪特性之间的相位关系计算得到各个子域内特征位置的方向谱。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，所述方向谱的计算方法有：傅里叶变换法，参量化法，扩展的最大可能法，贝叶斯法，以及小波变换法。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，所述波浪特性包括：波面、水质点速度，以及加速度。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，S3中，采用浅水方程建立工程局部范围水域的数学模型。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，S4中，将所述物理模型子域中有效模拟范围和无效模拟范围的分界处位置定义为所述子域数学模型的边界。
优选的是，所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法中，通过所述方向谱为各个所述子域数学模型提供边界条件。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，结合物理模型，数学模型和理论分析，可以高效地模拟大尺度港池全水域波要素，适应快节奏工程应用的需要。
通过建立子域数学模型，可以考虑口门附近物理模型子水域对非物理模型直接模拟水域的影响。
通过结合物理模型试验，实现了将越浪和透浪对港池内波要素的影响考虑在内。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法的流程图；
图2为测量仪器阵列布置示意图；
图3为实施例中通过物理模型和数学模型计算总波能H2 S由绕射波能H2 R的计算流程示意图；
图4为实施例中通过子域数学模型计算物理模型有效区域范围以外工程水域的总波能H2 S1的计算流程示意图；
图5为实施例中港池内的特征点布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，包括以下步骤：
S1、根据实际因素将工程局部范围水域划分为多个子区域，并确定模型比尺；
S2、在各个子区域内分别布置测量仪器，以构建各个子区域的物理模型，并通过所述物理模型模拟得到物理模型子区域结果总波能H2 S；其中，物理模型子区域结果总波能H2 S由绕射波能H2 R、越浪波能H2 Y和透射波能H2 L三部分组成，并用公式1表示：
H2 S＝H2 Y+H2 L+H2 R 公式1；
S3、建立工程局部范围水域的数学模型，通过所述数学模型模拟得到绕射波能H2 R；
S4、以物理模型子域中无效模拟范围以及未包含的局部工程水域作为模拟范围构建子域数学模型，通过所述子域数学模型模拟得到除物理模型有效区域以外工程区域内的绕射波能H2 R1；
S5、由H2 S、H2 R以及H2 R1计算得到所述物理模型有效区域范围以外工程水域的总波能H2 S1，并用公式2表示：
H2 S1＝H2 Y+H2 L+H2 R1 公式2。
在上述方案中，首先根据实际因素将工程局部范围水域划分为多个子区域，并确定模型比尺；然后通过在各个子区域内分别布置测量仪器，构建各个子区域的物理模型，通过所述物理模型就能模拟得到物理模型子区域结果总波能H2 S；之后，通过建立的工程局部范围水域的数学模型模拟得到外海绕射进入港池的绕射波能H2 R，进而通过H2 S和H2 R做差，即可确定越浪波能H2 Y和透射波能H2 L的和值；而后通过以物理模型子域中无效模拟范围以及未包含的局部工程水域作为模拟范围构建的子域数学模型模拟得到除物理模型有效区域以外工程区域内的绕射波能H2 R1，同时，此处绕射波能考虑了邻近子域(物理模型子域的有效区域)的影响；最后越浪波能H2 Y和透射波能H2 L的和值与H2 R1相加的结果即为所述物理模型有效区域范围以外工程水域的总波能H2 S1。
通过结合物理模型，数学模型和理论分析，可以高效地模拟大尺度港池全水域波要素，适应快节奏工程应用的需要；同时，还能够考虑邻近子域的影响，越浪和开孔结构透浪的影响，保证模拟精度的同时，兼顾了模拟效率。
通过建立子域数学模型，可以考虑口门附近物理模型子水域对非物理模型直接模拟水域的影响。
通过结合物理模型试验，实现了将越浪和透浪对港池内波要素的影响考虑在内。
一个优选方案中，所述实际因素包括：工程设计方案、水文数据、水深数据、试验研究数据，试验设备数据，以及试验场地数据中的一种或多种。
在上述方案中，通过全面的考虑各种实际因素，能够使得对工程局部范围水域的划分，以及模型比尺的确定更加准确。
一个优选方案中，S2中，在各个子区域内分别布置测量仪器除包括按照技术要求在各个子区域内布置的测量仪器外，还包括在每个子区域内另外布置的不少于3台用于同步测量波浪特性的测量仪器。
一个优选方案中，利用另外布置的测量仪器同步测量各测量点的波浪特性，并通过分析各个测量点的波浪特性之间的相位关系计算得到各个子域内特征位置的方向谱。
在上述方案中，通过分析各测量点波浪特性之间的相位关系能够计算方向谱，如图2所示，为以5点阵列仪器为例布置的浪高仪器布置图。
一个优选方案中，所述方向谱的计算方法有：傅里叶变换法，参量化法，扩展的最大可能法，贝叶斯法，以及小波变换法。
在上述方案中，方向谱常见的计算方法有傅里叶变换法，参量化法，扩展的最大可能法，贝叶斯法，小波变换法等。
一个优选方案中，所述波浪特性包括：波面、水质点速度，以及加速度。
一个优选方案中，S3中，采用浅水方程建立工程局部范围水域的数学模型。
在上述方案中，浅水方程的计算效率相对较高，因而采用浅水方程建立工程局部范围水域的数学模型，以提高模拟效率。
一个优选方案中，S4中，将所述物理模型子域中有效模拟范围和无效模拟范围的分界处位置定义为所述子域数学模型的边界。
在上述方案中，子域数学模型的建立，能够实现将相邻子区域之间的影响考虑入模拟结果内。且考虑到试验设备的限制使得该区域物理模拟结果精度较低，因而将物理模型子域中有效模拟范围和无效模拟范围的分界处位置定义为边界。
一个优选方案中，通过所述方向谱为各个所述子域数学模型提供边界条件。
在上述方案中，通过方向谱为各个子域数学模型提供边界条件，实现了对于大尺度港池在某一方向波浪作用条件下，能够高效地计算全水域的波要素。
实施例
以小洋山北侧港区为例，所研究的港区水域面积长6km，宽约1km。防波堤胸墙顶高程9m，极端高水位和设计高水位工况会发生越浪，防波堤沉箱之间间隔1m可以透浪。该算例如果采用常规的高效数学模型模拟，不能考虑透浪和越浪对港池内波要素的影响，模拟结果偏小，不利于工程设计。如果采用物理模型试验方法，为了准确模拟防波堤透空结构的透射过程，考虑透空宽度1m，模型比尺选为1:60。目前没有足够大的试验场地直接模拟港池全水域的波要素。
下述采用本发明的方法，模拟该港池全水域的波要素，具体计算流程参见图3和图4，并按照图5所示的特征点分布分别计算各个特征点的物理模型子区域结果总波能。
分别以NNE向波浪(正向浪作用防波堤)与极端高水位组合工况和ENE向波浪(斜向浪作用防波堤)与极端高水位组合工况为例，正向浪工况数值模型结果和本发明研究方法结果有效波高对比如表1所示，斜向浪工况数值模型结果和本发明研究方法结果有效波高对比如表2所示。
表1正向浪工况本发明方法和数学模型方法有效波高对比
Figure GDA0003808850460000071
Figure GDA0003808850460000081
Figure GDA0003808850460000091
表2斜向浪作用工况本发明方法和数学模型方法有效波高对比
Figure GDA0003808850460000092
Figure GDA0003808850460000101
从表1中可以看出，正向浪作用，绕射波能占总能量0.25～0.46，从表2中可以看出，斜向浪作用绕射波能占总能量0.82～0.91，可见，如果直接采用数值模型，即计算时仅考虑绕射波能，会低估港池内波要素。因而在采用本发明所述的模拟方法时，在考虑绕射波能的同时，还考虑了透浪和越浪的影响，在保证了模拟效率的同时，还提高了模拟精度，能够适应快节奏工程应用的需要。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据实际因素将工程局部范围水域划分为多个子区域，并确定物理模型比尺，实际因素包括：工程设计方案、水文数据、水深数据、试验研究数据，试验设备数据，以及试验场地数据中的一种或多种；
S2、在各个子区域内分别布置测量仪器，以构建各个子区域的物理模型，并通过所述物理模型模拟得到物理模型子区域结果总波能H2 S；其中，物理模型子区域结果总波能H2 S由绕射波能H2 R、越浪波能H2 Y和透射波能H2 L三部分组成，在各个子区域内分别布置测量仪器除包括按照技术要求在各个子区域内布置的测量仪器外，还包括在每个子区域内另外布置的不少于3台用于同步测量波浪特性的测量仪器，利用另外布置的测量仪器同步测量各测量点的波浪特性，并通过分析各个测量点的波浪特性之间的相位关系计算得到各个子域内特征位置的方向谱，通过方向谱为各个所述子域数学模型提供边界条件，并用公式1表示：
H2 S＝H2 Y+H2 L+H2 R 公式1；
S3、建立工程局部范围水域的数学模型，通过所述数学模型模拟得到绕射波能H2 R，采用浅水方程建立工程局部范围水域的数学模型；
S4、以物理模型子域中无效模拟范围以及未包含的局部工程水域作为模拟范围构建子域数学模型，通过所述子域数学模型模拟得到除物理模型有效区域以外工程区域内的绕射波能H2 R1，将所述物理模型子域中有效模拟范围和无效模拟范围的分界处位置定义为所述子域数学模型的边界；
S5、由H2 S、H2 R以及H2 R1计算得到所述物理模型有效区域范围以外工程水域的总波能H2 S1，并用公式2表示：
H2 S1＝H2 Y+H2 L+H2 R1 公式2。
2.如权利要求1所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，其特征在于，所述方向谱的计算方法有：傅里叶变换法，参量化法，扩展的最大可能法，贝叶斯法，以及小波变换法。
3.如权利要求1所述的能够考虑透浪和越浪的大尺度港池波要素高效模拟方法，其特征在于，所述波浪特性包括：波面、水质点速度，以及加速度。
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