CN117313587B - 一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法及其系统，包括：获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息；将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，获得波流相互作用后初始的流场信息；建立内孤立波‑背景剪切流相互作用数值水槽；将所述初始的流场信息作为所述数值水槽的初始条件经计算获得稳定的流场信息。本发明实现了势流理论与数值模拟的高效结合，适用于复杂内孤立波环境及海洋工程领域的研究。

Description

一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法及其系统

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法及其系统。

背景技术

海洋内波是发生在稳定密度层化海洋中一种波动，具有尺度大、传播距离远以及携带巨大能量等特点，对钻井平台、鱼雷发射和渔业捕捞等工程与作业有很大的威胁，在世界范围内造成的破坏事件屡见不鲜。除内孤立波外，海洋中普遍存在着各种各样的流动，如沿岸流、洋流和潮流等，对于内孤立波而言这些流动以背景剪切流的形式存在，对内孤立波存在显著的影响，包括波形、波速和速度场等流场特性，而且会进一步导致海洋结构物载荷特性的复杂化。因此，对内孤立波-背景剪切流相互作用进行研究具有重要的意义。

计算流体动力学（CFD）方法是内孤立波领域研究的主要方法之一，该方法通常基于KdV (Korteweg-de Vries)、eKdV (extended KdV)和MCC (Miyata-Choi-Camassa)等理论生成内孤立波。但上述理论均基于无粘无旋的假设，与背景剪切流的有旋特性冲突，不能用于内孤立波-背景剪切流相互作用的研究。此外，上述经典理论只适用于两层常密度流体系统的研究，无法用于计入密度跃层的多层流体系统的模拟，而密度跃层的存在会导致出现一、二模态等复杂内孤立波。现有技术中通过获得海洋环境中内孤立波流场并将数据插值进FLUENT等CFD软件中进行模拟来实现，但其对实际观测数据的依赖性较大，无法灵活的研究不同参数的内孤立波，且无法与背景剪切流进行耦合。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明主要针对现有技术中缺乏适用于复杂内孤立波-背景剪切流相互作用及波-流-体互相耦合等衍生问题的高精度数值模型与研究方法。本发明提供一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法。该方法利用HLGN或DJL生成初始条件，结合背景剪切流后引入数值水槽的方法，实现了势流理论与数值模拟的高效结合，适用于复杂内孤立波环境及海洋工程领域的研究。

本发明目的是提供一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，包括：

获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息；

将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，获得波流相互作用后初始的流场信息；

建立内孤立波-背景剪切流相互作用数值水槽；

将所述初始的流场信息作为所述数值水槽的初始条件经计算获得稳定的流场信息。

优选的，所述内孤立波的流场信息和背景剪切流的流场信息均包括压强、密度和不同笛卡尔方向的速度信息。

更优选的，所述内孤立波的速度场和压力场信息是根据内孤立波理论而获取的；

所述内孤立波理论是根据内孤立波参数进行选择。

更优选的，当内孤立波参数为强分层流体系统，则选择HLGN理论；当内孤立波参数为连续密度变化系统，则选择DJL理论。

优选的，所述背景剪切流为线性或非线性的。

优选的，将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，包括：

将背景剪切流和内孤立波的流场信息按照CFD模拟所需的网格分别进行离散，获取背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵；

将背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵进行相加，获得波流相互作用后初始的流场信息。

优选的，所述背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵均包括位置矩阵、速度矩阵、压强矩阵和密度分布矩阵；其中，速度矩阵包括水平速度矩阵和垂直速度矩阵。

本发明第二个目的是提供一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟系统，包括：

数据采集模块，用于获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息；

数据处理模块，用于将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，获得波流相互作用后初始的流场信息；建立内孤立波-背景剪切流相互作用数值水槽；

数据输出模块，用于将所述初始的流场信息作为所述数值水槽的初始条件经计算获得稳定的流场信息。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供了一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，该方法针对内孤立波与背景剪切流相互作用研究难度大的问题，提出了利用HLGN或DJL生成初始条件，结合背景剪切流后引入数值水槽的方法，获得内孤立波与背景剪切流相互作用的势流耦合结果，以势流耦合结果为粘流计算的初始条件，经迭代计算后获得满足流体控制方程的数值解。

本发明解决了目前技术无法在内孤立波场中引入背景流的问题，首次将内孤立波势流理论、背景剪切流势流理论和计算流体动力学方法有效结合，形成了计入背景流的内孤立波高精度计算与研究系统。可以实现内孤立波与背景剪切流相互作用的数值模拟研究，获得流体速度、密度、压强、湍动能、能量、温度等复杂流场信息。可以用于计入背景流的复杂内孤立波与海洋结构物或者潜航器相互作用的研究，也可用于海洋物质垂向运输、海水热量输运等问题的研究。相较于仿物理造波方法和边界条件造波，该方法操作简单，可以大幅减少计算量，模拟精度高；实现了势流理论与数值模拟的高效结合，适用于复杂内孤立波环境及海洋工程领域的研究。

附图说明

图1为发明提供的内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法的流程图。

图2为内孤立波示意图。

图3为背景剪切流与内孤立波理论结果和叠加流场。

图4为不同强度背景剪切流作用下的流场速度分布。

图5为不同强度背景剪切流作用下的内波波形。

图6为不同强度背景剪切流作用下的波谷轴线速度。

图7为背景剪切流强度对内孤立波波速的影响规律。

图8为无背景剪切流的情况下数值模型与实验的对比结果。

具体实施方式

为了阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及效果，以下结合实施例，进行详细说明。

本发明主要针对内孤立波-背景剪切流相互作用的研究尚处于起步阶段，缺乏系统有效的研究方法，开发了一种能够有效描述波流相互作用的数值模拟方法，通过势流-粘流计算后获得背景剪切流作用下的内孤立波流场，包括速度、速度、密度、压强、湍动能、能量、温度等复杂流场信息。为复杂内孤立波-海洋结构物相互作用、内波传播与演化、海水物质运输等领域的研究提供更全面的造波方法，为海洋结构物设计与安全作业提供基础。

为了实现上述目的，本发明提供一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，参见图1所示，包括：

S1、获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息；

其中，所述内孤立波的流场信息和背景剪切流的流场信息均包括压强、密度和不同笛卡尔方向的速度信息。所述背景剪切流为线性或非线性的。

所述内孤立波的速度场和压力场信息是根据内孤立波理论而获取的；

所述内孤立波理论是根据内孤立波参数进行选择，具体的，当内孤立波参数为强分层流体系统，则选择HLGN理论，HLGN理论是一种基于不可压缩、无粘、忽略表面张力的势流理论，适用于强分层内孤立波，即忽略密度跃层的厚度，且上下层流体密度保持不变；当内孤立波参数为连续密度变化系统，则选择DJL理论，DJL是一种等价于整套分层流体的欧拉方程的全非线性内孤立波理论，没有明显的密度跃层，密度在整个深度范围内呈双曲正切函数渐变。

需要说明的是，利用势流理论获得内孤立波理论解、进一步获得内孤立波速度场和压力场信息。对于如何确定合适的内孤立波理论，可以根据所需内孤立波参数进行选择，例如强分层流体系统可以选择HLGN理论，连续密度变化系统可以选择DJL理论。参见图2所示，内孤立波示意图，其中为内孤立波波面，为典型的高斯函数形单峰波，/>为流体的密度，/>为流体层的厚度。

以常密度流体系统为例，选择HLGN内波理论进行求解。HLGN理论中流体运动满足质量守恒定律和动量守恒定律：

式中，为水平坐标，/>为垂向坐标，/>为水平速度，/>为垂向速度，/>为流体密度，/>为重力加速度，/>为压强，/>为时间，下标/>代表所处的流体层，/>为流体层数。引入内孤立波研究中常用的刚盖假设，及上层流体的上表面是一个规则的刚性平面，速度等变量在法向方向值为0。第一层流体的上表面运动学条件为：

式中，为上表面流体的垂向速度，/>为垂向坐标，/>为水平坐标，/>为时间，为上表面的波形坐标。下标0表示该表面的垂向速度为0，所处垂向位置为/>。不同流体层的上表面运动学条件为：

式中，为位于该流体层上表面的流体垂向速度，/>表示该流体层上表面的垂向坐标，/>为垂向坐标，/>为水平坐标，/>为时间，/>为流体层数。不同流体层的下表面运动学条件为：

式中，为位于该流体层下表面的流体垂向速度，/>表示该流体层下表面的垂向坐标，/>为垂向坐标，/>为水平坐标，/>为时间，/>为流体层数。海底的运动学条件为：

式中，为位于海底的流体垂向速度，/>表海底的垂向坐标，/>为垂向坐标，/>为水平坐标，/>为时间，/>为流体层的厚度，/>为流体层数。

势流求解还需满足流体层之间的压力连续条件：

式中，上标“-”代表下表面，“^”代表上表面；表示第/>层流体下表面的压强，表示第/>层流体上表面的压强，/>表示该流体层下表面的垂向坐标，/>为垂向坐标，为水平坐标，/>为时间，/>为流体层数。

对上述方程进行联立求解后，可以得到分界面和水平速度场。利用泊松方程可以通过水平速度获得垂向速度场。利用分界面坐标与密度关系可以获得计算域的密度分布，结合静压场分布规律即可获得计算域的压力分布情况，/>为流体密度，/>为重力加速度，/>为流体所处深度。

以连续变化流体系统为例，流场满足控制方程：

式中，为流体速度，/>为梯度算子，/>为时间，/>为有效粘度系数，/>为参考密度，/>为压强，/>为流体密度，/>为重力加速度，/>为位置向量，/>为源项，/>为扩散系数，与有效粘度系数相等。加入边界条件，消去时间项：

式中，为拉普拉斯算子，/>为浮频率，/>为波面坐标，/>为垂向坐标，/>为波速，为水深，/>为水平坐标，/>为参考密度。利用谱方法即可得到速度、密度和压强的分布情况。

背景剪切流的流场信息，也就是背景剪切流的速度场和压力场信息，背景剪切流可以选择线性、非线性背景剪切流。背景剪切流的速度可以表达为：

式中，为水平速度，/>为背景剪切流水平速度表达式，/>为垂向速度。背景剪切流的流动较为简单，其压力分布也可简化为/>，/>为流体密度，/>为重力加速度，/>为流体所处深度。

在本实施例中，以两层常密度流体系统内孤立波与线性背景剪切流相互作用为例，获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息，具体包括如下：

首先，设定流体系统，指定上层流体密度为，下层流体系统密度为，上下层厚度分别为/>和/>。根据HLGN理论进行建模后指定求解参数：内孤立波理论级别为3（表示在同一水平位置，单一流体层的水平速度可以用三次多项式进行拟合），重力加速度为/>，数值水槽长度为/>，总计算时长为/>，空间步长和时间步长分别为/>和/>。

其次，利用重力塌陷法进行造波，指定塌陷区的宽度为，指定塌陷区的高度为。为了保证内波生成过程的流场稳定性，设置一个计算域跟随内波运动，使内孤立波始终位于计算区域内部，同时在计算区域附近设置光滑区域，减小边界的反射。也可根据要求设置输出信息，计算直到得到稳定的结果为止。

再次，获得稳定的内孤立波后，通过求解连续性方程获得垂向速度的导数，结合边界条件获得垂向速度场。对内孤立波流场进行离散化，获得位置、速度、压强和密度分布矩阵，依据密度分布获得不同流体的体积分数，计算公式为：

其中，为上层流体的体积分数，/>为上层流体的体积分数，/>为流体密度，/>为上层流体密度，/>为下层流体密度。

最后，设置背景剪切流信息，本实施例中背景剪切流水平速度满足公式：

其中，为流体水平流速，/>为背景流强度，其数值为上表面的水平速度，/>为垂向坐标，/>为上层流体厚度。

S2、将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，获得波流相互作用后初始的流场信息；

将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，包括：

将背景剪切流和内孤立波的流场信息按照CFD模拟所需的网格分别进行离散，获取背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵；

将背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵进行相加，获得波流相互作用后初始的流场信息。

其中，所述背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵均包括位置矩阵、速度矩阵、压强矩阵和密度分布矩阵；其中，速度矩阵包括水平速度矩阵和垂直速度矩阵。

在本实施例中，利用流体信息叠加方法将背景剪切流和内孤立波的速度、压力场信息进行耦合。内孤立波理论流场和背景剪切流的流场都可以用多项式来进行表达，无法直接用于CFD数值水槽的模拟，需要将流场按照CFD模拟所需的网格来进行离散。离散后将计算域的内孤立波和背景剪切流的水平速度场进行叠加，得到波流相互作用初始流场。参见图3所示，（a）内孤立波理论流场，（b）背景剪切流理论流场，（c）波流相互作用初始流场；

流场信息叠加方式：

式中，为流体水平流速，/>为内孤立波导致的流体水平流速，/>为背景剪切流导致的流体水平流速，/>为流体垂向流速，/>为内孤立波导致的流体垂向流速，/>为流体压强，/>内孤立波压强场，/>为流体密度分布，/>为内孤立波场的流体密度分布。

需要说明的是，对背景剪切流场进行离散化，其中离散尺度与内孤立波离散矩阵保持一致，选择同样的网格进行离散，获得水平速度矩阵。

S3、建立内孤立波-背景剪切流相互作用数值水槽；

建立数值水槽，长宽高分别为，计算域上下前后均为对称边界，左右为周期边界。网格划分与S2离散化保持一致。

S4、将所述初始的流场信息作为所述数值水槽的初始条件经计算获得稳定的流场信息。

在本实施例中，将S2~S3建立的初始化矩阵读取进计算域并作为初始条件，湍动能等参数的初始条件利用速度与尺度进行估算即可。

最后设置合适的数值模拟参数即可进行计算，

不同背景剪切流作用下速度如图4所示，由上到下为负涡向强背景流、负涡向弱背景流、正涡向弱背景流到正涡向强背景流对同一内孤立波速度分布的影响，红色为速度较高的区域，蓝色为较低的区域，结果表明背景剪切流方向与强度对内波的影响显著不同。数值模型可以获得背景剪切流对内孤立波速度等信息的影响。

波形分布如图5所示，负涡向背景剪切流使内孤立波变窄，且随着背景剪切流强度的增加持续变窄。

波谷轴线速度分布如图6所示，背景剪切流会显著改变波致速度的分布情况，对最大速度与最大速度的位置均有显著的影响。

背景剪切流强度对内孤立波波速的影响规律如图7所示，表明线性背景剪切流强度对内孤立波波速的影响成线性变化。

无背景剪切流的情况下数值模型与实验的对比结果如图8所示，表明本发明提出的所数值方法可以准确描述内孤立波，计算精度优秀。

综上，本发明将内孤立波势流理论、背景剪切流势流理论和计算流体动力学方法有效结合，形成了计入背景流的内孤立波高精度计算与研究系统。可以实现内孤立波与背景剪切流相互作用的数值模拟研究，获得流体速度、密度、压强、湍动能、能量、温度等复杂流场信息。可以用于计入背景流的复杂内孤立波与海洋结构物或者潜航器相互作用的研究，也可用于海洋物质垂向运输、海水热量输运等问题的研究。

本发明还提供了一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟系统，包括：

数据采集模块，用于获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息；

数据处理模块，用于将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，获得波流相互作用后初始的流场信息；建立内孤立波-背景剪切流相互作用数值水槽；用于将所述初始的流场信息作为所述数值水槽的初始条件经计算获得稳定的流场信息；

数据输出模块，用于处理背景剪切流作用下的内孤立波流场信息，包括速度、波形等特征；

数据拓展模块，用于将建立的内孤立波水槽与流固耦合以及离散元等方法相结合，用于潜航器安全航行和海洋物质运输等领域的研究工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，其特征在于，包括：

获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息；

将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，获得波流相互作用后初始的流场信息；

将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，包括：

将背景剪切流和内孤立波的流场信息按照CFD模拟所需的网格分别进行离散，获取背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵；

将背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵进行相加，获得波流相互作用后初始的流场信息；

所述背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵均包括位置矩阵、速度矩阵、压强矩阵和密度分布矩阵；其中，速度矩阵包括水平速度矩阵和垂直速度矩阵；

建立内孤立波-背景剪切流相互作用数值水槽；

将所述初始的流场信息作为所述数值水槽的初始条件经计算获得稳定的流场信息。

2.根据权利要求1所述的内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，其特征在于，所述内孤立波的流场信息和背景剪切流的流场信息均包括压强、密度和不同笛卡尔方向的速度信息。

3.根据权利要求2所述的内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，其特征在于，所述内孤立波的速度场和压力场信息是根据内孤立波理论而获取的；

所述内孤立波理论是根据内孤立波参数进行选择。

4.根据权利要求3所述的内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，其特征在于，当内孤立波参数为强分层流体系统，则选择HLGN理论；当内孤立波参数为连续密度变化系统，则选择DJL理论。

5.根据权利要求1所述的内孤立波与背景剪切流相互作用模拟方法，其特征在于，所述背景剪切流为线性或非线性的。

6.一种内孤立波与背景剪切流相互作用模拟系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于获取内孤立波的流场信息，并获取背景剪切流的流场信息；

数据处理模块，用于将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，获得波流相互作用后初始的流场信息；建立内孤立波-背景剪切流相互作用数值水槽；

将背景剪切流和内孤立波的流场信息进行耦合，包括：

将背景剪切流和内孤立波的流场信息按照CFD模拟所需的网格分别进行离散，获取背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵；

将背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵进行相加，获得波流相互作用后初始的流场信息；

所述背景剪切流的流场矩阵和内孤立波流场矩阵均包括位置矩阵、速度矩阵、压强矩阵和密度分布矩阵；其中，速度矩阵包括水平速度矩阵和垂直速度矩阵；

数据输出模块，用于将所述初始的流场信息作为所述数值水槽的初始条件经计算获得稳定的流场信息。