三维泥沙动力数值模型的高效应用——准三维模型“轻装”效应

近年来泥沙动力和河床冲淤三维计算模型(SB3D)取得了快速的发展,然而由于SB3D基于全三维水动力模型,计算量过大将会降低SB3D的工程实用性。从模型结构、模型求解与程序代码编译三个角度,探讨准三维水动力模型和SB3D联用的合理性和实用性,并采用实验室模拟和工程应用予以证明。结果表明:准三维模型多数条件下可以为SB3D提供合理的三维水流速度;全三维水动力模型和程序模块可以方便的由准三维模型和模块替换;准三维水动力模型极大的提高了模型计算效率,具有理想的"轻装"效应,可以提高SB3D的工程实用性。

σ-数值切割单元法(σ-SIBM)——解决σ-坐标在海洋陡坡区域数值模拟中压强梯度误差的新方法

σ-坐标是地表水三维水动力及物质输运模型使用最多的垂向坐标,但陡坡区域水平压力梯度误差长期制约着σ-坐标在海洋模拟中的发展,现有解决方法如z-平面法、相对密度法、提高精度法和地形光滑法等都未取得满意的结果.本文提出σ-数值切割单元法,在陡坡区域引入伪床面,降低H/x,消除了长期存在的区域水平压力梯度问题,将问题转化为陡坡位置的非贴体网格问题,进一步采用数值切割单元法解决边界拟合问题.对数值切割单元法的关键步骤,如床面数值识别、网格单元或节点分类、数值源项的半隐式求解以及切割速度的插值计算,提出适合于地表水地形分布特性的具体解决方法.模型既利用了传统σ-网格的简单高效性,又克服了σ-坐标在陡坡或复杂地形中应用的局限性,实现了σ-坐标和数值切割单元法的联合优势.理想海山试验表明,σ-数值切割单元法所产生的最大速度误差相对z-平面法减小近一倍,全域动能误差减小两个量级左右.海沟、海山、大陆架及河口区域存在下的复杂地形数值试验表明,模型对复合陡坡地形同样具有很好的适应性.