港口流场数值模拟及在航海模拟器中的应用

摘要

运用航海模拟器进行船舶通航安全论证,具有巨大的优势。它既可以增加船舶的通航安全性能,有效预估通航风险,合理降低工程试验、论证费用,减少不必要的经济损失；又可以优化航道,提高港口经济效益和竞争力,挖掘港口靠泊能力。
　　 在船舶操纵中,流会影响船舶运动。因此,在船舶通航论证过程中流场环境的设置对实验结果有着很大的影响,而航海模拟器中现有的流场插值计算方法不足以精确描述港区的流场分布,因此,有必要研究一种新的更精确的流场计算方法。针对此需求,本文在港口流场数值模拟方面做了一下几个方面的工作:
　　 1.研究了现有流场数值模拟方法,根据港口海底走势、岸线分布等地形特性,对比数值模型的优劣点,选取FVCOM三维数值模型来计算港口流场。并根据航海模拟器对流场的需求,编程实现了三维FVCOM数值模型中二维(垂向平均)外模的计算方法来计算二维单层流场的分布情况。
　　 2.实现了适用于模型计算的三角形网格。对比多种三角形划分方法选取Delaunay方法作为本文的网格划分方法,运用该方法实现了非结构三角网格划分,并使用局部优化过程方法对Delaunay三角形进行了优化,并剔除了不利于模型稳定性的非恰当三角形。
　　 3.验证了计算结果并将其集成到航海模拟器中。首先计算胶州湾M2分潮流场分布情况,然后将计算结果与实测数据进行对比,验证模拟结果可用于论证实验；最后将计算结果添加到航海模拟器中,并利用该结果进行了青岛港原油三期码头的安全通航论证。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 论文背景及研究意义

1.2 海洋流体力学研究现状

1.2.1 国外海洋流体力学研究现状

1.2.2 我国海洋流体力学研究现状

1.3 课题的主要工作

1.4 论文的组织结构

第2章 港口流场数值模型的选取

2.1 流场数值模拟

2.1.1 研究流场的常用方法

2.1.2 数值模拟的优缺点

2.2 数值模拟中常用的离散方法

2.2.1 有限差分法

2.2.2 有限元法

2.2.3 有限体积法

2.3 模型的选取

2.4 三角形网格划分方法的选取

2.5 小结

第3章 FVCOM数值模型的离散化及其处理

3.1 FVCOM原始方程组的简化

3.1.1 原始方程组

3.1.2 σ-坐标下的控制方程

3.1.3 二维(垂向平均)方程组

3.2 三角形网格的设计

3.3 方程的数值离散过程

3.3.1 水平平流项

3.3.2 正压梯度力项和斜压梯度力项

3.3.3 科氏力项和水平扩散项

3.3.4 Gx,Gy的离散

3.4 边界条件和初始条件

3.4.1 初始条件的确定

3.4.2 边界条件的确定

3.5 干湿处理

3.6 小结

第4章 模型的实现及其验证

4.1 模型网格的生成

4.1.1 数据处理

4.1.2 网格的生成

4.2 程序运行及其运行条件的建立

4.3 模拟结果的验证

4.3.1 胶州湾海域情况

4.3.2 胶州湾流场数值模拟

4.3.3 流场模拟结果及其分析

4.4 航海模拟器中的应用

4.4.1 模拟器的集成

4.4.2 模拟实验

4.5 小结

第5章 结论与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

研究生履历