三维海洋水动力计算σ坐标转换存在的问题及改进方法

作     者：白玉川 温志超 徐海珏 廖世智 曹永港 夏华永 BAI Yuchuan;WEN Zhichao;XU Haijue;LIAO Shizhi;CAO Yonggang;XIA Huayong

作者机构：天津大学水利工程仿真与安全国家重点试验室天津300072 国家海洋局南海调查技术中心广州510300 国家海洋局南海预报中心广州510310 

出 版 物：《应用数学和力学》 (Applied Mathematics and Mechanics)

年 卷 期：2019年第40卷第8期

页      面：840-855页

核心收录：

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080104[工学-工程力学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0802[工学-机械工程] 0701[理学-数学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(41576093) 国家重点研发计划(2018YFC0407505)~~ 

主　　题：σ坐标转换 三维水动力模型 有限元法 差分法 水动力特征 

摘      要：三维水动力模型在准确模拟海洋物理特性中起着重要的作用,传统的σ坐标转换由于当时计算机能力所限,舍去了复杂的高阶项,在实际复杂地形(或水深变化)环境下,会带来一定的误差或计算失真等问题.由此,为了适应高精度计算结果的需求,对原有σ坐标三维水动力模型进行了重新修正.在改进后的模型中,综合考虑了经σ坐标变换引入的与流速、水位、地形相关的复杂高阶项,选用特定的插值函数,利用有限元和差分相结合的方法,进行求解σ坐标下的完整三维浅水模式方程.相比原模型,改进的模型对底坡、水深、潮汐振幅等变化适用范围更为广泛,能更好地模拟出复杂水深变化下的垂向流动分布特征,计算结果具有更高的精确度;改进的模型针对一些极端水位条件(潮汐振幅与水深比大于0.15),其计算误差同样可保持在一个较低的范围内;同时,改进的模型只需更短的时间就可运行至稳定状态.