近岸浅海潮流数值模型及其应用

在Casulli提出的半隐式有限差分方法的基础上,通过改进底摩擦力公式以避免在超浅水域底摩擦项过大的缺点,对底摩擦项进行线性化处理以获得隐式效果,对平流项采用适当的差分格式以减小假扩散及对活动边界引入误差的传播,采用高效的选代格式提高运算速度,建立了适合于近岸浅海的潮流数值模型。该模型有良好的稳定性,计算时间步长不受CFL条件的限制。在防城港的潮流模拟中,模型的验证结果良好。     

浮标平台对ADCP测流精度的影响分析

海洋资料浮标会对周围流场产生影响,从而影响流速剖面数据的准确度。为了探究浮标平台对流场的扰动深度,借助计算流体力学方法,建立了数值水池,并对全尺度的浮标模型进行了不同流速下的仿真。仿真结果显示,浮标受到的流速阻力与模型试验结果相近。对浮标周围的速度场进行分析,发现浮标对流场的扰动是水平面圆柱绕流和竖直面梯形绕流的结合,会在浮标上游和下游形成流速减慢区,浮标中游两侧和下方形成流速加快区,流场呈现紊乱状态。浮标平台的扰动深度随着流速的增大而增大,根据两种误差标准(1 cm/s误差和5%误差),计算了不同流速下的影响深度。该研究为ADCP的安装提供了指导,也为数据处理提供了依据,有利于提高ADCP的测流精度。     

胶州湾潮汐潮流的数值计算

自从1952年Hansen提出用数值计算的方法求解潮汐方程以来,数值计算方法在国外已有了长足的进展,国内也得到了越来越多的应用。1969-1978年,在潮流大面预报工作中,我所与国家海洋局科技情报研究所等单位合作,对黄海东部、东海、朝鲜海峽、台湾海峡等海区进行了潮汐潮流的数值计算。在这些计算中,略去了非线性平流加速度的影响,这在水较深的中型海区是完全允许的;但在浅海,当未扰动水位之上的水表面高度可与平均水深相比拟时,平流项就不能省略。一九七九年,山东海洋学院王化桐等人采用Leendertse的差分格式对胶州湾进行了数值计算,考虑了非线性平流加速度的影响,但该格式以海图0米等深线作为固定的水-陆边界,没有考虑到潮间带。为了计算近岸浅水海区的潮汐潮流,本文采用R.A. Flather和N.S. Heaps的格式,编制了在108-乙机上计算任意形状近岸浅水海区潮汐潮流的手编程序,并以胶州湾为例进行了试算。 在试算时,我们用四组计算对非线性平流加速度的影响和潮间带的影响进行了比较，得出了在胶州湾这样的潮间带约占四分之一的近岸浅水海区,潮间带的影响比非线性平流加速度的影响更加明显的结论。 这四组计算是： I.不考虑潮间带(以平均水深0米作为固定的水-陆边界,并略去了平流项)； Ⅱ.不考虑潮间带,但考虑平流项； Ⅲ.考虑潮间带(海陆边界沿网格移动),但略宏平流项; IV.考虑潮间带,又考虑平流项.     

连云港近岸海域物理自净能力研究及水质预测——Ⅰ.西大堤工程对潮流场的影响

采用有限差分解法,建立了连云港近岸海域二维固定边界和变边界潮流数值模型。分别对现状流场和西大堤建成后的流场进行计算和预测。得出了潮波图,潮流椭圆图,最大流速分布和不同时刻的流场图,计算结果与实测值吻合良好。     

基于IDDES方法的冲刷地形海底管道绕流数值模拟

近年来,海底管道对于近海油气工业中碳氢化合物的运输十分重要,预测海底管道周围水动力特征对于研究管道损坏机理具有重要意义。基于Spalart-Allmaras改进延迟分离涡模拟(improved detached eddy simulation,简称IDDES)湍流模型,利用开源OpenFOAM求解器计算单管冲刷过程中4个特征阶段管道周围水动力特征。在数值模拟中先计算了无圆管时均匀来流充分发展后的流场,依据该流场中进口流速分布设定有管道时的边界层及进口边界条件。通过将最终模拟结果与前人试验数据及数值模拟结果进行对比,表明了该模型计算结果相对于k-ε模型及LES模型更加贴合试验结果,验证了定义边界层方法的可靠性及IDDES模型在预测管道周围流场的适用性。模型计算结果显示,随着冲刷坑深度的逐渐增加,管道下游回流区会经历一个大幅缩减又逐渐扩大的过程,且逐渐关于圆管中心所在水平线对称;通过对不同冲刷阶段尾涡形态的分析表明,冲刷前期并没有涡脱产生,中期已经有产生涡脱的趋势,后期出现了明显的且较为稳定的涡脱。     

基于图卷积的一维平流方程空间离散化数值求解加速方法

本文提出了一种基于图卷积神经网络的偏微分方程空间离散化数值求解加速方法，并将该方法应用于求解一维平流方程的研究中，实现了一维平流方程的加速求解。并设计了基于图卷积的一维平流方程空间离散化神经网络模型(GCPNN),其在物理先验知识指导下基于图模型利用空间图结构特征进行一维平流方程空间离散化求解加速方案建模，在构建图结构关系过程中，基于物理先验知识建立邻接矩阵，利用邻接矩阵融合了全局信息，从而实现了一维平流方程的加速求解。并且通过设计对比实验和消融实验验证了基于GCPNN的求解器相较于基线求解器和CNN求解器在求解精度和计算成本方面的优势，且验证了加入物理先验知识指导及全局信息融合的有效性。     

基于桁架模型和多孔介质模型的柔性网衣和周围流场单向耦合方法研究

柔性网衣作为渔业养殖的重要组成部分,其水动力的计算分析对网箱的安全使用至关重要。基于桁架模型和多孔介质模型对柔性网衣和流场单向耦合计算的数值模拟方法进行了研究。通过code_aster软件基于桁架模型计算出网衣变形后节点坐标和网衣受力,然后将节点坐标导入OpenFOAM识别出网衣变形后的多孔介质区域,并基于多孔介质模型模拟水流作用下网衣周围的流场和计算网衣的受力。为了验证模型的正确性,将不同工况对圆形网衣的数值模拟结果与物理试验数据进行比较,包括code_aster中计算的网衣变形形状、OpenFOAM模拟的网衣周围流场以及在code_aster和OpenFOAM中计算的网衣受力。计算结果表明,圆形网衣在单纯来流下变形明显,与试验结果保持一致,证明了网衣变形和水动力单向耦合方法的准确性。     

具有潮滩移动边界的浅海环流有限元模型

本文基于二维化浅水动力学方程组,运用伽辽金加权余量法导出计算浅水环流的有限元公式.对计算区域采用三角单元剖分,用线性插值函数逼近流速及水位,使用集中质量法以代替求解大型代数方程组的过程.通过建立陆水边界位置与瞬时水位的相关关系,解决了陆水边界线移动的数学处理问题.对于运动方程中的底摩擦项和科氏力项采用隐式格式,从而改善了模型的数值稳定性.对皮口沿岸潮流场的数值分析,较好地再现了该海区的实际流况,从而证明了本文所建立的环流模型具有良好的重现性.皮口港扩建工程流场预测应用实例说明了本模型可以用来解决小尺度潮滩海区的流场预测问题,在海洋开发活动中具有广泛的应用前景.     

两种湍流模型在潮流能水轮机数值模拟中的适用性研究

在对特定湍流条件下的水平轴潮流能水轮机进行数值模拟时,不同的湍流模型对于计算结果具有一定的影响。为选择合适的湍流模型对所设计水轮机的三维流场进行描述,将采用常用的两方程模型(SSTk-ω与Realizable k-ε)进行数值模拟,得到不同工况下水轮机的性能参数以及水轮机后1.5D处流场的流速、湍流强度分布情况,并进行模型水槽试验,试验值与采用两种湍流模型进行数值模拟得到的仿真值对比表明:在低尖速比工况下,采用SSTk-ω进行数值模拟得到的仿真值比Realizable k-ε更接近试验值,在较高尖速比时,采用Realizable k-ε进行模拟得到的数值更接近试验值;采用两种湍流模型进行数值模拟得到的速度分布具有相似性,但对于湍流强度的预测,SSTk-ω更具有优势。考虑此水轮机的实际工况,选择SSTk-ω湍流模型进行描述更加合理。     

斜抽运无机液体激光器的流场热分布

激光二极管斜抽运的多增益段串接的液体激光器能够明显地提高激光光束质量、获得较高的输出功率.针对斜抽运子增益段工作时所涉及的流动、传热和壁面耦合,建立了计算子增益段流场热分布的流-热-固耦合模型,应用有限单元法完成了其瞬态流场热分布的数值模拟.该方法排除了不精确的换热系数对计算结果的影响,使得换热系数不再是计算的先决条件,而只是计算结果之一;并且为评价流道形状、流速、吸收系数等因素对流场热的影响,以及进一步改进和控制液体激光介质的流场热分布,提供了可靠的分析方法.数值模拟研究表明:换热系数是空间位置的函数;     

山东半岛东部,北部地区冬季冷流低云的探讨

本文主要对山东半岛东部、北部及渤海海峡地区的地方性天气－冷流低云，作了初步的分析。着重分析产生这种低云的环流特点及殊地理环境，分析归纳出这种低云的预测方法及判据。     

中太平洋北部海盆沉积物中钙质超微化石溶解相与地层年代

本文通过对中太平洋北部海盆表层和柱状沉积物中钙质超微化石的分析鉴定,讨论了该调查区处在溶跃面以下表层沉积物中钙质超微化石的种数与水深变化的关系,推测出本调查区中Ⅰ区的碳酸盐补偿深度约5300米。根据地层中出现的标准化石,对柱状岩芯M_(14)进行了地层年代划分。最上部地层年代约为27万年前,向下1米处年代约为44万年前,3.66米处年代约为122万年前。     

烟单14号玉米产量与土壤养分关系的研究

根据大量田间试验和调查资料分析,作者提出烟单14号玉米生长过程中,小喇叭口期土壤中全氮、大喇叭口期土壤中速效磷的含量与产量相关密切。并据此建立了产量及构成三因素与土壤养分间的最优相关模型。     

波浪对稳定海湾形成过程的实验

通过一个稳定海湾形成过程的实验，研究了以波浪侵蚀为主的沙质海岸，在人工岬控制下海岸变形与波浪特性的关系。从而为海岸蚀退的预测提供了实验依据。     

热带气旋对黄、渤海影响的统计特征分析

本文统计分析了1949—2000年共52年影响黄、渤海的热带气旋时空分布特点及ENS0、西太平洋副热带高压与影响黄、渤海的热带气旋关系。结果表明，西太平洋热带气放以四种主要路径影响黄、渤海，其影响时间、频数及强度均有不同。ENSO和西太平洋副热带高压的强度、位置将影响热带气旋对黄、渤海影响的路径和频数。     

黑潮弯曲时的北太平洋冬季海温异常对大气低频振荡的影响

利用中科院大气物理研究所开放实验室ＩＡＰ－ＡＧＣＭ（二层大气环流模式），针对黑潮弯曲时的北太平洋冬季表层海温（ＳＳＴ）异常进行八个月的数值积分试验。试验结果表明：黑潮弯曲时北太平洋冬季ＳＳＴ异常对大气低频振荡的影响具有明显的３０－６０ｄ振荡的特征；在北半球的３０－６０ｄ振荡，大部分地区为向西传播，在南半球则为向东传播；其经向传播较为复杂，在１２０°Ｅ剖面上以向南传播为主；热带地区受此ＳＳＴ异常的影响以西太平洋、印度洋大气加热场的３０－６０ｄ振荡为主要标志。     

开发胶东温泉地热水对环境的影响

根据地热水中阴离子的组分与温泉水类型，指出其中Ⅱ＿１、Ⅱ＿２：型水温高，日采水量大，矿化度高，水质复杂，相应的环境效应明显．提出地热水的大规模开采以及尾水的大量排放，对温泉周边的生态环境、工程环境、土壤及地下水等方面有明显的影响．     

Bowen数和东中国海Bowen数分布

本文讨论Bowen数的意义、功能和计算法。同时,依据多年水文气象实测资料作统计,计算出东中国海的Bo值。其结果绘制成1月至12月的月平均分布图,从而对本海域的Bo分布特点作详细分析介绍。     

海面风的特征分析

作者利用在渤海进行的不同时距的平均风速观测值,经统计分析求得1秒、2分和10分钟平均风速间的线性关系。同时根据风速梯度观测值给出风速指数廓线的指数值,并且给定风速对数廓线的特征值:海面摩擦速度和海面粗糙度。此外,作者还提出了海面风应力的经验公式。     

200O～2001年冬季北半球大气环流变化对渤海气候及海冰的影响

本文通过对2000－2001年冬季（12－2月）大气环流特征的分析，尤其关于东亚大气活动中心的位置，强度的不同会造成渤海海域气候与冰情的差异，表明由于乌拉尔山和北太平洋两大高压脊的变化，造成亚洲极涡与东亚大槽的加强和减弱，并对渤海气温变化和海冰生消的影响起着直接作用。此外，分析还表明，前期拉尼娜现象可能是造成气候变化的重要原因之一。