CN114492220A - 基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算流体动力学技术领域，具体提供一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法及系统，旨在解决现有海洋实测数据分析方法存在对海洋大气边界层流动特性预测困难且预测效率较低的问题。为此目的，本发明的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法包括：对建立的三维计算流域划分网格，得到三维流域网格；建立计算流体力学模型；设置边界条件和计算参数；基于建立的计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性。

Description

基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法及 系统

技术领域

本发明涉及计算流体动力学技术领域，具体提供一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法及系统。

背景技术

海面上无时无刻不存在着海浪，在许多海域中，涌浪占主导地位，并对大气边界层的流动特性具有显著的影响。随着海上风电等海洋能源的发展，对海上大气边界层流动特性的理解日益重要。海洋实测数据分析是研究海上大气边界层流动特性的一个重要方法，但存在数据获取困难、测风高度有限、易受其他因素影响等问题，所得的实测数据难以进行规律性的分析研究，导致海洋大气边界层流动特性预测困难且预测效率较低。因此，如何快速、简单、准确地实现对涌浪条件海洋大气边界层流动特性的预测是本领域技术人员目前需要解决的问题。

相应地，本领域需要一种新的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方案来解决上述问题。

发明内容

为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决现有海洋实测数据分析方法存在对海洋大气边界层流动特性预测困难且预测效率较低的技术问题。本发明提供了一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法及系统。

在第一方面，本发明提供一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，包括下述步骤：对建立的三维计算流域划分网格，得到三维流域网格；建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程以及湍流模型；设置边界条件和计算参数；基于建立的所述计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在所述三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性。

在一个实施方式中，对建立的三维计算流域划分网格包括：基于第一网格间距对所述三维计算流域的流向和展向划分网格；基于第二网格间距对所述三维计算流域的垂向划分网格，所述网格为动网格，三维流域的底面网格依照涌浪形状随时间发生变化，并使所有网格在垂向上同步形变，形变规律满足下述公式：

其中，η(x,y,t)为波高，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

在一个实施方式中，所述设置边界条件包括三维计算流域的四周采用周期边界条件，顶部采用滑移边界条件，底部采用垂向速度边界条件和壁应力边界条件，其中所述壁应力边界条件基于壁应力模型实现。

在一个实施方式中，在所述垂向速度边界条件中，所述底面的垂向速度满足下述计算公式：

上式中，w(x,y,t)为底面的垂向速度，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

在一个实施方式中，所述海洋大气边界流动特性包括速度分布、压力分布以及湍流结构中的至少一种；所述预测方法进一步包括：基于所述海洋大气边界流动特性确定大气边界层的风速廓线和湍流强度廓线中的至少一种。

在第二方面，本发明提供一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统，包括网格划分模块，被配置为对建立的三维计算流域划分网格，得到三维流域网格；模型构建模块，被配置为建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程以及湍流模型；条件及参数设置模块，被配置为设置边界条件和计算参数；流场计算模块，被配置为基于建立的所述计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在所述三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性。

在一个实施方式中，所述网格划分模块包括：流域四周网格划分单元，被配置为基于第一网格间距对所述三维计算流域的流向和展向划分网格；流域垂向网格划分单元，被配置为基于第二网格间距对所述三维计算流域的垂向划分网格，所述网格为动网格，三维流域的底面网格依照涌浪形状随时间发生变化，并使所有网格在垂向上同步形变，形变规律满足下述公式：

其中，η(x,y,t)为波高，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

在一个实施方式中，所述条件及参数设置模块包括边界条件设置单元，所述边界条件设置单元被配置为设置三维计算流域的四周采用周期边界条件，顶部采用滑移边界条件，底部采用垂向速度边界条件和壁应力边界条件，其中所述壁应力边界条件基于壁应力模型实现。

在第三方面，提供一种控制装置，该控制装置包括处理器和存储装置，所述存储装置适于存储多条程序代码，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行前述任一项所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法。

在第四方面，提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质其中存储有多条程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行前述任一项所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法。

本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

本发明中的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，基于OpenFOAM平台实现对海洋大气边界层流动特性的模拟，首先对建立的三维计算流域划分网格，接着建立计算流体力学模型，其次设置边界条件和计算参数，最后基于建立的计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性，解决了现有技术存在的对海洋大气边界层流动特性预测困难且预测效率较低的技术问题，提高了海洋大气边界层流动特性的预测效率，为后续进行海洋大气研究、海上风资源评估以及海上风电场规划设计等提供了技术支撑。

通过动网格方法模拟涌浪的运动，结合垂向速度边界条件和壁应力模型，可以快速准确地获得涌浪条件海洋大气边界层的速度分布、压力分布、湍流结构等流动特性，该方法具有较高的精度和良好的计算效率。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围组成限制。此外，图中类似的数字用以表示类似的部件，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法的主要步骤流程示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的三维流域网格结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的海洋大气边界层的速度分布结构示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的海洋大气边界层的压力分布结构示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的海洋大气边界层的风速廓线示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的海洋大气边界层的湍流强度廓线示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统的主要结构框图示意图。

附图标记列表：

11：网格划分模块；12：模型构建模块；13：条件及参数设置模块；14：流场计算模块。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，“模块”、“处理器”可以包括硬件、软件或者两者的组合。一个模块可以包括硬件电路，各种合适的感应器，通信端口，存储器，也可以包括软件部分，比如程序代码，也可以是软件和硬件的组合。处理器可以是中央处理器、微处理器、图像处理器、数字信号处理器或者其他任何合适的处理器。处理器具有数据和/或信号处理功能。处理器可以以软件方式实现、硬件方式实现或者二者结合方式实现。非暂时性的计算机可读存储介质包括任何合适的可存储程序代码的介质，比如磁碟、硬盘、光碟、闪存、只读存储器、随机存取存储器等等。术语“A和/或B”表示所有可能的A与B的组合，比如只是A、只是B或者A和B。术语“至少一个A或B”或者“A和B中的至少一个”含义与“A和/或B”类似，可以包括只是A、只是B或者A和B。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。

目前传统的海洋实测数据分析方法存在对海洋大气边界层流动特性预测困难且预测效率较低的技术问题。为此，本发明提供了一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法及系统，首先对建立的三维计算流域划分网格，接着建立计算流体力学模型，其次设置边界条件和计算参数，最后基于建立的计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性，解决了现有技术存在的对海洋大气边界层流动特性预测困难且预测效率较低的技术问题，提高了海洋大气边界层流动特性的预测效率，为后续进行海洋大气研究、海上风资源评估以及海上风电场规划设计等提供了技术支撑。

参阅附图1，图1是根据本发明的一个实施例的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法的主要步骤流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法主要包括下列步骤S101-步骤S104。

步骤S101：对建立的三维计算流域划分网格，得到三维流域网格。具体来说，在划分网格之前需要先建立涌浪条件海洋大气边界层的三维计算流域。三维计算流域的长度和宽度在几百米到数千米的范围内变化，高度为大气边界层高度。由于OpenFOAM作为大型开源计算流体力学类库，易于开发，功能灵活，具有良好的拓展性。因此，本申请主要采用OpenFOAM平台来建立三维计算流域。在建立三维计算流域后，基于第一网格间距对三维计算流域的流向和展向分别划分网格，其中第一网格间距约为10～20米，该实施例中可以利用OpenFOAM平台并根据第一网格间距对三维计算流域的流向和展向均匀划分网格。同时，基于第二网格间距对三维计算流域的垂向划分网格。三维计算流域的垂向采用梯度变化的方式进行网格划分，在底部加密，网格间距约为1～2米，随着网格向上，网格间距逐渐增大，顶部网格间距约为10～20米。另外，网格建立为动网格，三维流域的底面网格依照涌浪形状随时间发生变化，并使所有网格在垂向上同步形变，该变化规律满足下述公式：

上式中，η(x,y,t)为波高，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

步骤S102：建立计算流体力学模型，计算流体力学模型包括不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程以及湍流模型。具体来说，该步骤建立的计算流体力学模型采用大涡模拟方法，模型的方程如下：

上式中，u为速度，

为速度平均值，ρ为流体密度，t为时间，

为修正后的滤波压力，

为驱动压力梯度，i＝x,y,z，j＝x,y,z，其中x、y、z分别为流向坐标、展向坐标和垂向坐标。

为亚格子项的偏应力，通过湍流模型计算,其中本申请所涉及的湍流模型采用OpenFOAM平台提供的拉格朗日尺度动态Smagorinsky模型。

步骤S103：设置边界条件和计算参数。具体来说，设置边界条件包括设置三维计算流域的四周边界条件、顶部边界条件、底部边界条件。其中，三维计算流域的四周采用OpenFOAM平台提供的周期边界条件，顶部采用滑移边界条件，底部采用垂向速度边界条件和壁应力边界条件。其中壁应力边界条件基于壁应力模型实现，通过壁应力模型向三维计算流域的底面附加摩擦应力，壁应力模型的计算公式如下所示：

上式中，τ为壁应力，κ为冯卡门常数，κ通常取0.4；z₁为第一层网格中心高度，z₀为地表粗糙度，U_r为风相对于涌浪的速度，

为风相对于涌浪的平均速度，

分别为风相对于涌浪的速度在流向、展向以及垂向三个方向上的分量，θ₁、θ₂分别为三维计算流域的底面与流向以及展向方向的夹角。

在底部边界特殊设置的速度边界条件中，设置底面速度符合涌浪的运动规律，即底面的垂向速度满足下述计算公式：

上式中，w(x,y,t)为底面的垂向速度，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

在该步骤中，设置上述边界条件之后，还需要设置计算参数，具体包括设置求解器为PISO-SIMPLE速度-压力耦合求解器，时间离散方法为欧拉方法，空间离散方法为二阶精度方法。另外，还可以在每一时间步对整个三维流域的速度进行修正，使最顶层网格的平均流向速度保持不变，以模拟真实大气边界层中地转风的作用。

步骤S104：利用OpenFOAM平台、基于建立的计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在三维流域网格上进行流场数值模拟计算，得到海洋大气边界流动特性，其中海洋大气边界流动特性包括速度分布、压力分布以及湍流结构等。本申请还可以基于海洋大气边界流动特性来确定海洋大气边界层的风速廓线和湍流强度廓线。具体来说，廓线指变量随高度的变化曲线，本申请中可以通过对速度分布进行时间平均和水平面上的空间平均来获得海洋大气边界层的风速廓线，对湍流统计量进行时间平均和水平面上的空间平均得到海洋大气边界层的湍流强度廓线。

基于上述步骤S101-步骤S104的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，实现了基于OpenFOAM平台对海洋大气边界层流动特性的模拟，解决了现有技术存在的对海洋大气边界层流动特性预测困难且预测效率较低的技术问题，提高了海洋大气边界层流动特性的预测效率，为后续进行海洋大气研究、海上风资源评估以及海上风电场规划设计等提供了技术支撑。

需要指出的是，尽管上述实施例中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时(并行)执行或以其他顺序执行，这些变化都在本发明的保护范围之内。

在本发明的一个实施方式中，还提供基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法的具体实施方式。首先基于上述步骤S101建立涌浪条件海洋大气边界层的三维计算流域并划分网格。其中，三维计算流域的长和宽均取1.2km，三维计算流域的高为大气边界层高度δ取0.4km，网格在流向和展向进行均匀划分，网格间距为10m，垂向网格在底部加密至约1m，底面网格点的高度满足公式(1)。在本实施例中，具体可以设置涌浪参数中的波幅a＝1.6m，涌浪周期T＝8s，波长λ＝100m，涌浪与流向方向的夹角θ＝0°。该实施例中建立的三维流域网格如图2所示。

在获得三维流域网格后，可以利用上述步骤S102中的公式(2)、公式(3)以及OpenFOAM平台提供的拉格朗日尺度动态Smagorinsky模型建立计算流体力学模型。

接着基于上述步骤S103设置边界条件和计算参数，具体来说底部采用壁应力边界条件，壁应力边界条件基于壁应力模型实现，其中壁应力模型计算公式(4)和(5)中的地表粗糙度z₀取0.0002m。在计算参数设置上，设置求解器为PISO-SIMPLE速度-压力耦合求解器，时间离散方法为欧拉方法，空间离散方法为二阶精度方法。另外，在每一时间步对整个三维流域的速度进行修正，使最顶层网格的平均流向速度保持不变，以模拟真实大气边界层中地转风的作用。在该实施例中，该地转风速U_g取5m/s。

最后利用OpenFOAM平台、使用上述步骤建立的计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在三维流域网格上进行流场数值模拟计算，得到包括速度分布、压力分布以及湍流结构等海洋大气边界流动特性。本实施例还可以使用可视化软件(如ParaView)对获得的海洋大气边界流动特性进行后处理，从而实现对速度分布、压力分布以及湍流结构等海洋大气边界流动特性的可视化，其中基于ParaView处理后获得的速度分布如图3所示，基于ParaView处理后获得的压力分布如图4所示。另外，通过对速度分布进行时间平均和水平面上的空间平均来获得海洋大气边界层的风速廓线，如图5所示。还可以对湍流统计量进行时间平均和水平面上的空间平均得到海洋大气边界层的湍流强度I的廓线，如图6所示，从而实现对海洋大气边界层的风速廓线和湍流强度廓线的预测计算。同时，不考虑涌浪作用，即对平坦底面上的大气边界层也采用相同的方法进行模拟，并将模拟得到的风速廓线以及湍流强度廓线分别综合展示于图5和图6中。无论是对比图5还是对比图6都可以看出，平坦底面上大气边界层的风速廓线和湍流强度廓线的预测值与本申请中在涌浪条件大气边界层的风速廓线和湍流强度廓线的预测值均存在很大不同。而本申请提供的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法能过实现对涌浪条件海洋大气边界层流动特性的快速、简单、准确预测，其预测结果可作为海洋大气研究、海上风资源评估以及海上风电场规划设计的重要参考。

进一步，本发明还提供了一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统。

参阅附图7，图7是根据本发明的一个实施例的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统的主要结构框图。如图7所示，本发明实施例中的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统主要包括网格划分模块11、模型构建模块12、条件及参数设置模块13和流场计算模块14。在一些实施例中，网格划分模块11、模型构建模块12、条件及参数设置模块13和流场计算模块14中的一个或多个可以合并在一起成为一个模块。在一些实施例中网格划分模块11可以被配置成对建立的三维计算流域划分网格，得到三维流域网格。模型构建模块12可以被配置成建立计算流体力学模型，计算流体力学模型包括不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程以及湍流模型。条件及参数设置模块13可以被配置成设置边界条件和计算参数。流场计算模块14可以被配置成基于建立的计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性。一个实施方式中，具体实现功能的描述可以参见步骤S101-步骤S104所述。

在一个实施方式中，网格划分模块包括流域四周网格划分单元和流域垂向网格划分单元，流域四周网格划分单元被配置为基于第一网格间距对三维计算流域的流向和展向划分网格；流域垂向网格划分单元被配置为基于第二网格间距对三维计算流域的垂向划分网格，网格为动网格，三维流域的底面网格依照涌浪形状随时间发生变化，并使所有网格在垂向上同步形变，形变规律满足下述公式：

其中，η(x,y,t)为波高，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

在一个实施方式中，条件及参数设置模块包括边界条件设置单元，边界条件设置单元被配置为设置三维计算流域的四周采用周期边界条件，顶部采用滑移边界条件，底部采用垂向速度边界条件和壁应力边界条件，其中壁应力边界条件基于壁应力模型实现。

上述基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统以用于执行图1所示的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法实施例，两者的技术原理、所解决的技术问题及产生的技术效果相似，本技术领域技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统的具体工作过程及有关说明，可以参考基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法的实施例所描述的内容，此处不再赘述。

本领域技术人员能够理解的是，本发明实现上述一实施例的方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存取存储器、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。

进一步，本发明还提供了一种控制装置。在根据本发明的一个控制装置实施例中，控制装置包括处理器和存储装置，存储装置可以被配置成存储执行上述方法实施例的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法的程序，处理器可以被配置成用于执行存储装置中的程序，该程序包括但不限于执行上述方法实施例的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法的程序。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该控制装置可以是包括各种电子设备形成的控制装置设备。

进一步，本发明还提供了一种计算机可读存储介质。在根据本发明的一个计算机可读存储介质实施例中，计算机可读存储介质可以被配置成存储执行上述方法实施例的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法的程序，该程序可以由处理器加载并运行以实现上述基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该计算机可读存储介质可以是包括各种电子设备形成的存储装置设备，可选的，本发明实施例中计算机可读存储介质是非暂时性的计算机可读存储介质。

进一步，应该理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本发明的装置的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。

本领域技术人员能够理解的是，可以对装置中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，其特征在于，包括下述步骤：

对建立的三维计算流域划分网格，得到三维流域网格；

建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程以及湍流模型；

设置边界条件和计算参数；

基于建立的所述计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在所述三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性。

2.根据权利要求1所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，其特征在于，对建立的三维计算流域划分网格包括：基于第一网格间距对所述三维计算流域的流向和展向划分网格；基于第二网格间距对所述三维计算流域的垂向划分网格，所述网格为动网格，三维流域的底面网格依照涌浪形状随时间发生变化，并使所有网格在垂向上同步形变，形变规律满足下述公式：

其中，η(x,y,t)为波高，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

3.根据权利要求1所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，其特征在于，所述设置边界条件包括：三维计算流域的四周采用周期边界条件，顶部采用滑移边界条件，底部采用垂向速度边界条件和壁应力边界条件，其中所述壁应力边界条件基于壁应力模型实现。

4.根据权利要求3所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，其特征在于，在所述垂向速度边界条件中，底面的垂向速度满足下述计算公式：

上式中，w(x,y,t)为底面的垂向速度，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

5.根据权利要求1所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法，其特征在于，所述海洋大气边界流动特性包括速度分布、压力分布以及湍流结构中的至少一种；所述预测方法进一步包括：基于所述海洋大气边界流动特性确定海洋大气边界层的风速廓线和湍流强度廓线中的至少一种。

6.一种基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统，其特征在于，包括：

网格划分模块，被配置为对建立的三维计算流域划分网格，得到三维流域网格；

模型构建模块，被配置为建立计算流体力学模型，所述计算流体力学模型包括不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程以及湍流模型；

条件及参数设置模块，被配置为设置边界条件和计算参数；

流场计算模块，被配置为基于建立的所述计算流体力学模型以及设置的边界条件和计算参数，在所述三维流域网格上进行流场数值计算，得到海洋大气边界流动特性。

7.根据权利要求6所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统，其特征在于，所述网格划分模块包括：

流域四周网格划分单元，被配置为基于第一网格间距对所述三维计算流域的流向和展向划分网格；

流域垂向网格划分单元，被配置为基于第二网格间距对所述三维计算流域的垂向划分网格,所述网格为动网格，三维流域的底面网格依照涌浪形状随时间发生变化，并使所有网格在垂向上同步形变，形变规律满足下述公式：

其中，η(x,y,t)为波高，x、y分别为流向坐标和展向坐标，t为时间，a为波幅，T为涌浪周期，λ为波长，θ为涌浪与流向方向的夹角。

8.根据权利要求6所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测系统，其特征在于，所述条件及参数设置模块包括边界条件设置单元，所述边界条件设置单元被配置为设置三维计算流域的四周采用周期边界条件，顶部采用滑移边界条件，底部采用垂向速度边界条件和壁应力边界条件，其中所述壁应力边界条件基于壁应力模型实现。

9.一种控制装置，包括处理器和存储装置，所述存储装置适于存储多条程序代码，其特征在于，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行权利要求1至5中任一项所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条程序代码，其特征在于，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行权利要求1至5中任一项所述的基于OpenFOAM平台的海洋大气边界层流动特性的预测方法。

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