海洋环流数值模式中的若干技术问题评述

详细介绍了当前国内外海洋环流数值模式中垂直涡动粘性系数、海表面动量、热量和质量通量的参数化方案以及开边界条件的选取等技术问题，评价了各种方案和技术的优缺点，为海洋环流数值模式的研制和改进工作提供了参考依据。     

包括潮流作用的黄东海环流模式的开边界条件研究

海洋模式开边界条件在以余水位给出的情况下,难于保证整个计算区域内水量进出的平衡,而以流速(通量)给出的情况下,能严格保证计算区域内水量进出的平衡.要体现潮流在浅海陆架环流中的作用,海洋模式开边界条件需要以余流和潮流合成的形式给出.计算结果表明,开边界条件分别以潮流和潮位给出的情况下,计算域内的潮汐潮流是一致的,表明计算潮汐潮流模式开边界条件可以用潮流的形式替代一般的潮位形式.模式开边界条件可以同时给出潮流和余流来模拟计算域内的总流场.潮流对环流的作用主要在浅海,对深海区的作用不大.文中以长江口外海区为例,考虑潮流后作潮周期平均的环流与不考虑潮流情况下的环流存在明显差异,温度和盐度的垂向结构更符合实测资料.潮流对环流的作用体现在潮混合和潮致余流上,潮混合包括对环流的混合,也包括对温盐的混合,而温盐场的改变也引起流场的改变.因此浅海陆架环流的计算必须考虑潮流的作用.     

同时考虑余流和潮流的海洋模式开边界条件

为较真实地数值模拟浅海环流，需考虑潮流的作用，因在浅海潮混合和潮致余流对环流具有较重要的作用。为保证计算区域内水量流进和流出的平衡，开边界条件需以流速代替水位给出。但这样做必须首先验证开边界条件在以潮流和潮位给出的情况下，计算域内的潮汐和潮流是一致的，随后才能考虑潮流和余流的合成。能否在开边界上同时考虑余流和潮流，在数值上必须首先得到验证。该文设计一个理想海湾，应用ECOM模式，数值试验表明开边界条件用潮流替代潮位，计算域内计算结果是一致的；开边界上同时给出余流和潮流可成功地模拟计算域内的余流场的分布。该文结论对余流和潮流共存情况下海流的数值计算具有推广价值。     

潮流数值模拟中紊动粘性系数的研究

从流体运动基本方程出发，对Boussinesq假设的合理性进行了初步探讨，阐述了紊动粘性系数的物理含义及其在数值计算中所起的作用，就一内设正交丁坝的半封闭海域中的平面紊动粘性系数对二维潮流数值计算结果的影响进行了讨论。结果表明，平面紊动粘性系数对潮位和平均流速的影响较小；随着紊动粘性系数的增加，丁坝背流侧回波的强度和影响范围均明显增大，就风生流和环岛水流两个理论算例中的垂向紊动粘性系数对三维潮流数值计算结果的影响进行了讨论。结果表明，垂向紊动粘性系数越大，流速分层越不明显，流速的绝对值也越小；垂向紊动粘性系数的梯度变化则对水平流速的垂向分布起着决定性的作用。综合理论分析和数值试验的成果，垂向紊动粘性系数宜采用抛物线分布的结构型式。     

波浪和潮流混合对黄海、东海夏季温度垂直结构的影响研究

首先对影响垂向混合的物理过程进行了分类,进而讨论了波浪运动和潮流运动所造成的混合及其对温度垂直结构的影响. 基于3种混合方案对黄海、东海温度垂直结构进行了数值模拟实验,结果表明:夏季波浪的混合对黄海、东海上混合层起控制作用,潮流混合对30m左右的近底层起控制作用,潮流混合是南黄海断面海温呈台状分布的主要成因. 南黄海东侧的温跃层通风是由于强波浪以及潮流对应的混合共同作用的结果. 同时考虑波浪混合和潮流混合所模拟的黄海、东海海洋温度垂直结构特征与实际观测基本一致. 对近海而言,波浪混合和潮流混合是进行温度跃层和密度跃层数值模拟的关键过程.     

渤海垂直湍流混合强度季节变化的数值模拟

渤海为极浅陆架海，其中湍流耗散作用显著，将三维斜压陆架海模式－HAMSONM应用于渤海，以渤海周边台站每天4次的规气象资料作为风和热驱动，渤海海峡开边界以5个主要分潮调和常数计算水位强迫，计算了渤海1982年水文要素和流场变化，并用模式以湍的局地平衡理封闭计算出垂直流粘性的时间分布，结果表明，渤海湍流混合冬强夏弱，变化幅度较大（10－200cm^2/s)，这是风搅拌和潮混合的湍流输入在密度层化调整下的结果，风的作用在冬季强于潮的作用，而底层则由潮混合控制呈现半月周期，渤海湍粘性系数的空间分布十分复杂，这是在渤海地形和岸形轮廓限制下，由一定大气条件驱动的流场和密度场导致的湍流混合强不同所致。     

湍能封闭模型在渤海潮流模拟中的应用

将一个三维湍能封闭模型应用于渤海潮流模拟，通过流速分解的初边值方法，计算机了渤海全海区潮波系统，潮流结构，结果与观测符合较好。计算同时给出了湍粘性系数和湍动能的时空分布，比较常湍粘性系数和湍的垂直抛物分布及湍能封闭模拟表明，湍粘性系数的同不同选取会对流场结构有显著影响。     

海州湾海域三维潮流数值模拟

基于三维河口、陆架、海洋模型(ECOM3D),引入干湿网格法变动边界处理技术,建立三维动边界潮流数值模型.将该模型用于海州湾近岸海域三维潮流场模拟,结果表明,模型计算结果与实测值吻合良好,较好地模拟出此海域M2分潮的潮流场时空分布特点:大部分海域流速在40~65 cm/s之间,垂直流速量级为10-4m/s,最大垂直流速为5.2×10-4m/s.     

基于实验的超磁致伸缩微致动器动力学特性分析

基于超磁致伸缩微致动器实验所得的激励电流-磁致伸缩材料轴向位置-磁场强度三者之间的关系式,修正了厚壁线圈轴向电流-磁场理论公式.利用修正公式对超磁致伸缩微致动器动力学模型进行理论分析,得到了微致动器的振动响应;分析了修正系数、偏置磁场及预压应力对微致动器的影响.结果表明:修正系数对微致动器动力学特性影响十分明显,当修正系数K′=1.24时,基于实验拟合函数与基于厚壁线圈电流-磁场理论公式所得到的微致动器的输出位移与输入激励电流之间的滞回环完全吻合;微致动器振动响应具有明显的非线性特性,而且修正系数对其影响很大.偏置磁场与预压应力对微致动器的幅频特性影响也十分明显.     

基于动力拟序涡模型的水波三维大涡模拟

利用大涡模拟理论数值模拟了规则波和不规则波的传播过程,采用动力拟序涡黏性亚格子应力模型进行波高及速度场的模拟.计算结果表明,模型对水波的波高及由波产生的流体速度分布模拟结果与解析值符合良好,且精度较高.对比分析了人工海绵层及Sommerfeld辐射型耦合边界条件与仅采用Sommerfeld辐射型边界条件对水波数值模拟精度的影响.结果表明动力拟序涡粘性模型可以准确地模拟水波传播特性.     

垂直转子轴式微型泵的LBM模拟

为了对垂直转子轴式微型泵内部流动规律进行深入研究,采用格子Bo ltzm ann法(LBM)对该微型泵全流场进行了数值模拟。采用基于插值公式及固壁处动量平衡的弯曲固壁统一边界条件和移动边界条件,对具有圆、椭圆、互垂直双椭圆等3种不同截面形状转轴的微型泵内部流动进行了定常与非定常的计算,得到了微型泵进出口处平均压差、出口处平均量纲一化速度随时间的演化过程。结果表明:随着R eyno lds数的减小,流体的粘性作用不断增大,垂直转子轴结构可对流体进行更加有效的输送;圆形截面转轴比椭圆和互垂直双椭圆截面转轴具有更好的泵送性能。     

用改进的RNG模式数值模拟湍流冲击射流流动

在Yakhot和Orszag提出的重正化群（RNG）k-ε湍流模式的基础上，对模式系数Cц和近壁处理方法加以改进，并将其推广应用于湍流冲击射流的数值模拟。将计算得到的平均速度分布和湍动能分布与标准k-ε模式的计算结果以及实验数据进行了比较。结果表明，用改进的RNGk-ε模式得到的数值结果与标准k-ε模式的结果相比具有显著的提高，尤其对滞止区附近的湍动能分布预测结果与实验结果具有较好的一致性，这是因为PNGk-ε模式与改进的近壁处理方法相结合有效地降低了涡粘性的预测值，进而引起湍动能预测值的下降，且计算中采用了Cц和Cε1的改进表达式，适当地考虑了流动中各向异性湍流和不平衡应变率影响的结果。该模式在工程湍流计算中具有较好的应用前景。     

袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动预测模型

为了满足宽频域下阻尼密封转子动力特性的计算要求,针对单频涡动模型计算量大的问题,提出了采用动网格技术和非定常数值方法来预测袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动模型.以转子多频单向涡动位移作为激励信号,采用非定常方法和动网格技术进行了三维ReynoldsAveraged Navier-Stokes (RANS)方程的数值求解,从而获得了袋型阻尼密封的瞬时流体激振力.通过快速傅里叶变换,在频域内计算了10个频率的8个转子动力特性系数,并与实验值进行了比较.结果表明:数值计算得到的袋型阻尼密封转子动力特性系数与实验值吻合良好,从而验证了基于多频单向涡动模型的数值方法能够可靠预测袋型阻尼密封转子动力特性.     

输电塔钢管构件涡激振动数值模拟

用数值模拟方法对钢管构件涡激振动现象进行研究,分别进行了静止圆管绕流数值模拟以及弹簧支撑单自由度圆管绕流数值模拟.结果表明:静止圆管计算工况雷诺数介于20 000~35 000之间,升力系数幅值以及阻力系数均值的平均值分别为1.427和1.273,与前人试验结果较为吻合;涡街形成的决定性因素是物体后部两个分离剪切层的相互作用;发生涡激振动时,顺风向响应要远小于横风向响应;基于单自由度模型进行动网格分析,给出了最大位移比公式以及线性插值关系式,将二维数值模拟应用于三维钢管构件的涡振疲劳分析.     

稀相气固两相垂直管流内的固相浓度和粘度

在忽略径向惯性力和粘性项的条件下，建立了稀相气固两相垂直管流内充分发展段的固相浓度分布模型，并在对模型进行分析的基础上，得出了浓度分布模式的成立条件．运用Ｈｉｎｚｅ－Ｔｃｈｅｎ公式及混合长理论得到固相湍流粘度的计算模型，通过计算得到固相湍流交换系数随Ｒｅｇ、ｄｐ／Ｄ及等数的变化规律．     

钢筋石笼起动流速试验与流场结构数模分析

介绍了钢筋石笼起动流速的研究现状,针对其不足,用石笼实际边长代替化引直径,经过理论推导,提出了以拖拽力系数为主要待定参数的钢筋石笼起动流速简化公式,并在此基础上进行了a×a×c形石笼的起动流速水槽试验.通过试验,分析了扁度与稳定性的关系,得到了不同扁度所对应的拖拽力系数值并讨论了底部摩擦力系数f给钢筋石笼稳定性所带来的重要影响.此外,为更好地了解钢筋石笼周围流场的特性,构建了一个透水性绕流数值模型,并以大涡模拟为计算手段,对透水性绕流场进行了三维数值模拟.通过将模拟结果与非透水性绕流场从流场结构、涡体脱落、静压强分布以及拖拽力系数等方面进行定性、定量的对比分析,得到了透水性对流场的具体影响结果.     

用混合紊流模型求解沿岸流和离岸流

本文从水深平均的纳维埃-斯托克斯方程出发,以Longuet-Higgins模型为基础,引入波浪驱动力、紊动粘性和底部切应力,并适当调整紊动粘性系数的分布和底部切应力,构成混合紊流模型,以求解港池中的沿岸流和离岸流.数值计算结果与实验资料符合甚好,表明本文提出的混合紊流模型是求解近岸流的行之有效的方法、     

一类非线性扩散问题及其在图像修复中的应用

通过介绍传统非线性扩散方程在图像处理中的一般应用，引入了一类含间断系数的非线性扩散模型，并利用非线性系数正则化处理的方法及粘性解该类模型中的研究结果，得到了该模型的适定性理论．给出的一些具体数值实验结果表明，该非线性扩散模型是图像修复问题的一种比较理想的方法．     

波—粘性流—海洋结构物的相互作用

波－粘性流－海洋结构物相互作用的研究对海洋结构物附近地基的冲刷估计和防护是十分重要。目前对这一问题的研究还不多。本文基于水深平均雷诺方程和水深平均ｋ－ε模型，对典型海洋结构物直立圆柱附近的粘性波流场进行了数值模拟。在数值计算中，应用了差分法、余量校正法和人工开边界条件。本文对雷诺数为１０＾５粘性流和正弦波联合作用时直立圆柱附近的波流场进行了计算。计算结果表明，本文方法对处理波－粘性流－海洋结构物相     

半无界条状区域四阶方程的Laguerre-Legendre混合谱逼近

对二维半无界条状区域上的四阶偏微分方程,用不带权函数的Laguerre-Legendre混合谱方法进行逼近.通过构造满足微分方程边界条件的基函数,由离散变分公式可以得到具有稀疏系数矩阵的代数系统,从而有效地进行求解.对该方法进行严格的收敛性分析,数值结果验证了方法的收敛性和有效性.