河流流场数值计算及其仿真研究

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流场是水文环境中一种典型的表现形式,在实际物理现象和工程利用中存在较大的影响。流场的数值计算,主要涉及了流体力学、水文动力学、数值分析、地理信息系统、计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)等多学科的理论知识和交叉应用。  同时,伴随着我国航运事业的蓬勃发展,航海、航行方面研究不断跟上脚步。在航海模拟器的设计和集成过程中,真实航行环境要素的仿真技术应用而生。其中,航行不仅仅定义为沿海、近海、远洋航行,也包括内河航行。由于内河航行模拟器的环境仿真研究在国内外尚处于初步阶段,尤其是河流环境要素中流场的仿真研究较之甚少。本文首先通过不同数值模型的比较分析,采用FVCOM模型对河流流场进行数值计算和仿真研究,然后将所得到的流场计算结果应用在内河航行模拟器中,主要完成了以下工作:  完成基本数据采集。根据河流所在区域的电子海图,学习了电子海图数据结构等知识,完成了在电子海图中提取相关地理数据(岸线数据、水深数据)。  研究了现有数值计算中流场的数据类型,流场数据结构的分析,以及流场数值模拟的方法,根据河流的岸线情况、地形特征,根据不同数值模型的优缺点比较,采用FVCOM数值模型进行河流的流场计算。同时,为了满足计算准确性的要求,用二维(垂向)平均的方程组来计算二维单层的流场分布情况。  采用非结构化网格生成技术,实现了适用于FVCOM模型计算的三角形网格,采用Delaunay方法进行网格划分,并根据三角形精度要求,剔除或优化了不符合要求的三角形。  以长江流域扬州段为例,利用Linux系统下Fortran语言完成了数值计算和仿真过程,然后将其应用到内河航行模拟器中进行了流场变化情况的效果验证,并在S-57电子海图实现效果展示。
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