有限体积法及其在近岸潮流计算中的应用研究.pdf

中国海洋大学硕士学位论文有限体积法及其在近岸潮流计算中的应用研究姓名：邱兆山申请学位级别：硕士专业：港口、海岸及近海工程指导教师：史宏达2003.6.1有限体积法及其在近岸潮流计算中的应用研究捅要目前广泛应用于潮流计算的二维潮流方程属浅水方程齐次浅水方程在数学上为拟线性双曲型偏微分方程组浅水方程在计算机技术发展的推动下已发展了诸多有效的数值计算方法，如有限差分法( F D M ) 、特征法( M O C ) 、有限单元法( F E M ) 、有限体积法( F V M ) 等其中有限体积法在7 0 年代开始应用于空气动力学并取得了巨大成功有学者很早就发现齐次浅水方程组与正压气流欧拉方程组在数学上的一致性随着空气动力学的发展完善，将空气动力学的理论成果和数值算法应用于计算水动力学已进入实践阶段本文对有限体积法的研究即是本着这个思路有限体积法用于积分形式的守恒律方程它能结合有限差分法与有限单元法的优点，如：计算效率高；可应用于无结构网格( 有限元网格) ：具有激波捕捉性( s h o c k —c a p t u r i n gp r o p e r t y ) ，可以有效地处理间断问题本文从探讨一维和二维浅水方程的特征理论和性质出发，详细阐述了应用于浅水计算的有限体积法一阶及二阶格式( M U S C L 途径) 的原理及应用方法。

应用有限体积法求解浅水方程的关键问题为求解网元界面处的一维黎曼方程，即确定网元边界上的数值通量精确求解黎曼方程非常繁杂且不必要，所以用有足够精度且简便的近似黎曼解来代替精确的黎曼解求解近似黎曼解的方法主要有：①O s h e r 格式；②通量向量分裂格式( F v s ) ；③通量差分裂格式( F D S ) 等本文还以自动生成( D e l a u n a y 原理) 及编号的三角形网格为例，详细阐述了无结构网格的应用方法本文采用规则矩形网格编制了模拟一维及二维溃坝问题的测试程序，以检验文中所述方法的正确性和处理间断问题的有效性最后本文采用无结构三角形网格并采用有限体积法二阶格式编制了模拟大亚湾潮流运动的模拟程序该模型的模拟结果表明了有限体积法用于潮流计算的有效性，其实现方法也充分体现了有限体积法的上述优势关键字：有限体积法，浅水方程，潮流，数值模拟F i n i t eV o l u m eM e t h o da n dI t sA p p l i c a t i o no fT i d a IF l o wS i m u l a t i o nA b s t r a c tT h ew i d e l yu s e d2 de q u a t i o n so ft i d a lf l O Ws i m u l a t i o nb e l o n gt ot h es h a l l o ww a t e rt y p e ．W h c at u r b u l e n ta n dd i s p e r s i v ee f f e c t so r en e g l e c t e d ，t h es h a l l o ww a t e re q u a t i o n sb e c o m eaq u a s i ．1 i n e a rs y s t e mo ff i r s to r d e rh y p e r b o l i cp a r t i a ld i f i e r e n t i a le q u a t i o n s ．A st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs c i e n c e ．al o to fm e t h o d sh a v eb e e nu s e dt os o l v et h es h a l l o ww a t e re q u a t i o n sn u m e r i c a l l y ．T h em o s ts i g n i f i c a n tf o u rm e t h o d so ft h e ma r e ：F i n i t cD i f f e r e n c eM e t h o d ( F D M ) ．M e t h o do fC h a r a c t e r i s t i c s( M O C ) 。

F i n i t eE l e m e n tM e t h o d ( F E M ) a n dF i n i t eV o l u m eM e t h o d ( F V M ) ．I np a r t i c u l a r , F V Mh a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e di nr e c e n ty e a r s ，m a i n l yb e c a u s ei ta p p e a r si ns o m ei m p o r t a n tf i e l d sa sa e r o n a u t i c a la n da e r o s p a c ee n g i n e e r i n g ．T h es h a l l o ww a t e re q u a t i o n sh a v et h es a m ．es t r u c t u r ea st h ec o m p r e s s i b l eE m e rE q u a t i o n s ．S Om a n yt h e o r i e sa n dt e c h n i q u e so fF V Md e v e l o p e di na i rd y n a m i c sh a v eb e e nu s e dt os o l v et h es h a l l o ww a t e re q u a t i o n s ．F V Md e a l sw i t ht h ec o n s e r v a t i o nf o r mo ft h ee q u a t i o n s ．I th a sm a n ya d v a n t a g e so v e rF D Sa n dF E M ．F V Mc o m b i n e st h es i m p l i c i t yo fF D Mw i t ht h eg e o m e t r i cf l e x i b i l i t yo fF E M ．F V MC a nb ea p p l i e du s i n ga nu n s t r u c t u r e d 空r i ds y s t e ma sF E M ．F V MC a na l S Oc a p t u r ed i s c o n t i n u i t i e so rs h o c k sp r o p e r l y ． I nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , l da n d2 ds h a l l o ww a t e re q u a t i o n s ’p r o p e r t ya n dc h a r a c t e r i s t i ct h e o r ya r cs h o w n ．T h e n ，o nt h eb a s i so ft h i s ，t h ep r i n c i p a la n dt h et e c h n i q u e so fu s i n go fF V Ma r ed i s c u s s e d ．Am o d e ms e c o n do r d e rm e t h o do fM o n o t o n i cU p s t r e a mS c h e m e sf o rC o n s e r v a t i o nL a w s ( M U S C L ) a p p r o a c hh a sa l S Ob e e ns h o w n ．n ek e yp r o b l e mo fu s i n gF V Mi st oe s t i m a t et h en o r m a lf l u xt h r o u 【g he a c hs i d eo fac e l l ．孔e r ea r es e v e r a la l g o r i t h m st oe s t i m a t et h i sf l u x ．s u c ha sO s h e rm e t h o d ，F l u xV e c t o rS p l i t t i n g ( F V s ) m e t h o da n dF l u xD i f f e r e n c eS p l i t t i n g ( F D S ) ．I nt h i sp a p e r , t w ob e n c h m a r k so fd a mb r e a kf l o ws i m u l a t i o nh a v eb e e nd e s i g n e dw h i c hu s er e c t a n g l em e s h ．1 1 圮p u r p o s eo ft h e s eb e n o b ．m a r k si St ot e s tt h eC O l T e e t n e s sa n dt h ev a l i d i t yo f s h o c kc a p t u r i n go f t h em o d e l ．I nt h el a s tp a r t , aD a y a w a nb a yt i d a lf l o ws i r e u l a t i o nm o d e l ，w h i c hu s et r i a n g u l a rm e s ha n ds e c o n do r d e rs c h e m eh a sb e e np l a n e d ．1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e li Sv a l i dt os i m u l a t et h et i d a lf l o ws i m u l a t i o na n dh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ．K e yw o r d s ：F i n i t eV o l u m eM e t h o d ，S h a l l o ww a t e re q u a t i o n s ，T i d a lf l O W ) N u m e r i c a ls i m u l a t i o n有限体积法及其在近岸潮流计算中的应用研究刖置自六十年代以来，潮流数值模拟已得到较大的发展。

从空间维数上看已由一维、二维发展到三维，其中二维模型应用最广，也较为成熟到目前为止，国内外学者己成功地开发了各种二维潮流数值模拟程序系统按网格形状来分，包括三角形、正方形、矩形、不等距方形、多边形、曲线坐标网格、以及各种形状的组合等按模拟格式分，包括有限差分法、特征法、有限单元法、有限体积法等潮流计算的关键在于对潮波运动控制方程的求解，通过质量守恒方程和动量方程联立，在适当边界条件下以数值方法进行计算，最终得出计算域内各点的潮流流速分布近岸地区的潮流运动实际上是一种三维运动，描述其运动的偏微分方程也是三维的近岸及河口地区水域属于宽浅型区域，即水平尺度远大于垂直尺度因此，用将描述实际潮流运动的三维方程进行垂向积分得到的二维方程来近似描述近岸地区的潮流。