1、本科毕业论文（20 届）象山港的水动力以及输运机制的数值模拟研究所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录摘要 .IAbstract .II引言 .11 介绍 .31.1 研究意义 .31.2 海洋数值模拟研究概况 .31.3 海域概况 .41.4 象山港潮汐的研究概况 .41.5 本文研究内容 .52 模式 .62.1 Delft3D 模式 .62.2 Delft 模型数值理论介绍 .72.2.1 坐标的表示方法 .72.2.2 坐标的表示方法基于 Navier-Stokes 方程的模型理论 .72.3 网格布置 .92.4 处理结果 .93 数据
2、分析 .103.1 数值实验过程 .103.2 数据生成 .123.3 流场特征 .123.4 等潮位线图 .27结论 .33研究展望 .34参考文献 .35致谢 .36I象山港的水动力以及输运机制的数值模拟研究摘要 象山港地区的开发建设与研究对于该地区的生活经济方面起着重要作用。为了充分开发和利用象山港海洋资源，为了能够在河口海岸地区进行港口建设等开发活动，我们都必须对该地区的水动力及泥沙运动，潮汐等自然环境规律有详细的了解。本文主要是从对象山港岸河口地区的水动力及输运机制的数值模拟技术进行了研究,了解潮流涨落状况。水动力数值模拟是海岸工程、水运工程和环境工程中重要的模拟方法。水动力数值模拟
3、是通过数值离散方法来近似求解水流运动控制方程，从而模拟出潮流运动状况。我们通过对象山港的水文分析，从而了解该地区水动力的运动状况，比如潮汐，波浪运动等。我们在利用象山港的数据资料，通过利用计算机进行数值模拟，选择模式模拟，设置边界条件。 这里我们所采用的模式主要是指 Delft3D。它是目前世界上最为先进的完全的 3 维水动力水质模型系统。数据主要来源是 2008 年象山港内的潮水涨落，利用这些数据我们模拟它的过程，得出相关结论，这对了解象山港水域，开发象山港地区有重要促进作用。关键词 象山港；水动力；输运机制；数值模拟；潮流IIThe nuerical simulation of hydro
4、dynamic and transportation inXiangshan HarborAbstract ： The development and construction of Xiangshan Harbor plays an important role in economic construction of these areas. To take full use of Marine resources in the Xiangshan Harbor, we have done many research and exploitation in the belt of terri
5、torial, especially estuary and coastal areas. Therefore, we must learn particularly about the hydrodynamic and sediment movement, also the regulation of tide in this area. This paper is written to discuss the hydrodynamic condition and the numerical simulation on transportation mechanism of Xiangsha
6、n Harbor.Hydrodynamic numerical simulation is an important analogy method in coastal engineering and marine traffic engineering, even environmental engineering. It approximately solve the control equation by discrete method, thereby the move condition of tide can be simulated. We did hydrological an
7、alysis in Xiangshan Harbor, to outline the dynamical condition in these areas, such as features of tide and wave motion. With the available data of Xiangshan Harbor under its hydrodynamic movement, select appropriate simulation model and set boundary conditions, ultimately start to do the numerical
8、simulation. Here we mainly use Delft3D model.Delfe3D is the worlds most advanced three-dimension water quality model system. We use the data in the year of 2008 to get the analogue transport process, ultimately obtain a relevant conclusion, is favorable in ocean research of xiangshan Harbor.Key word
9、s ： xiangshan Harbor；hydrodynamics; transport mechanism; numerical simulation; tidal wave1引言研究某海域内的水动力因素对该海域的物质输运具有重要影响。这里我们所研究地区主要是指象山港海域。在通过对象山港的水文分析，了解该地区水动力的运动状况、潮汐、波浪,环流运动等。象山港是浙江省内重要的港口之一，通过研究象山港的水动力状况，对开发保护象山港有重要的意义。这里我们需要运用的主要的手段是通过计算机的数值模拟来实现对象山港的模拟。由于数值模拟可以实现近似模拟出整个海域的运动过程，可以利用工具实现从抽象的数据到直
10、观可观察的图，使研究者和读者可以更加直观的了解该海域的运动状况，因此是我们了解象山港海域研究发展的方向。水动力的数值模拟是环境工程重要的模拟方法，也是水环境数学模型的重要组成部分，通过水动力的数值模拟，可了解水质点在某一时刻的流速、流向，水量的输送，湍流的强度以及涡旋、环流状况等,从而描绘出该地区的整个海浪潮汐过程。在对象山港的水动力作用下，通过数值模拟出它的输运过程，通过分析图片来了解整个潮流过程，这对了解象山港水域有重要促进作用。这种对象山港的数值模拟研究，来模拟出输运状况的方法不但有助于渔业工作者更好地了解渔场分布、变化等情况，而且对我们进一步认识象山港海洋现象也有一定的帮助。水动力数值
11、模拟是近代海岸工程、水运工程和环境工程中重要的模拟方法，随着近代电子计算机和数值计算方法的发展，水动力数值模拟越发起到重要作用.它是以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。根据电子计算机发展和应用情况,水动力数值模拟大致经历下述三个发展阶段:第一阶段是数值计算,主要是用电子计算机对水力学公式或方程直接计算求解,虽不能称作水动力数值模拟,但解决了用简单计算工具难以完成的计算,而且操作简便、计算快速、方法实用,因此深受工程技术人员欢迎。第二阶段是单因素水动力数值模拟,这是水动力数值模拟的初级阶段。它是通过采用数值计算方法对水动力运动方
12、程进行离散求解。本阶段要研究各种离散方法的格式构成;离散方程与原微分方程的相容性;计算过程的稳定性、收敛性和精度等一系列问题,形成了一门新学科计算水力学或计算流体动力学。第三阶段是多因素过程模拟,这是利用电子计算机和数值方法对自然界海岸河口地貌演变过程中各种现象进行过程模拟。由于现象的复杂性,模拟时,开发出一系列新技术,如:与物模相结合的复合模型;多因素联合运行;智能型和可视化模拟技术;随机模拟分析等。极大地丰富了数值模拟技术,扩大了数值模拟应用范围,使数值模拟技术提高到一个崭新水平。而本文将结合前人的研究，利用 Delft-3D 数值模拟，分析象山港内潮汐和海浪2特征，来探讨象山港水动力；并
13、用 Delft-3D 模式数值模拟模拟出一个平面上的水动力全过程，来初步探讨象山港的水动力规律，来对象山港的潮汐涨落提供理论基础和对 Delft-3D 模式数值模拟运用于海洋工程提供科学借鉴意义。31 介绍1.1 研究意义地球的表面被陆地分隔开来彼此相通的广大水域称为海洋。海洋面积362,000,000 平方公里(140,000,000 平方里)，接近地球表面积的 71。海洋中含有十三亿五千多万立方千米的水，约占地球上总水量的 97%。它与人类的生存，发展都是密切相关。随着如今科技不断发展，陆地的资源利用已经不足以满足人类的需求，人们开始把眼光投向海洋。所以人们在应该如何合理开发保护海洋上需要
14、做下很大的功夫。然而在开发和利用海洋，解决海岸河口地区的工程建设这一系列的等等实际问题首先我们都必须了解其水动力。全面的了解水动力会使得我们更够预防海岸河口的灾害和对海洋工程的合理开发。而潮流，是海岸带，海湾，海峡和潮汐河口地区额的主要水动力学的条件之一，是物质输运的最基本的方式，比如泥沙的输运，盐分的比例，各类物质输运过程均与潮流的运动有很大的相关。因此我们在海岸河口的环境保护，深海养殖，港口建设等等海岸环境工程中，我们都必须对潮流场有深刻的了解。而我们通过数值模拟来了解潮流场是一种比较直观并且便捷的方法。1.2 海洋数值模拟研究概况在通过对国内外有关的学术刊物（如东中国海海洋动力环境要素的
15、数值模拟方法研究 、 东中国海环流及其相关动力过程的模拟与分析 、 夏季东中国海环流及长江口上升流模拟 、 中国海区域的海洋数值模式与海_气耦合试验研究 ） 、水动力网站和国际国内有关学术会议的论文集进行分析，水动力以及输运数值模拟研究主要是关于在熟悉水动力并且在这基础上要进行模式的构建，运用 roms 模式来解决现实问题，其中也有许多问题需要去探索和研究。当前国内外的海洋模式基本上是以三维原始方程为基础的水平网格的选取多为Arakawa B 或 C 网格在垂直方向的分层上则有深度 z 坐标随地 坐标等密面 坐标和 s 坐标伸展坐标等有的模式则采用混合坐标即在不同的层面上根据不同的层化结构分别
16、采用不同的坐标大部分模式的差分格式多采取有限差分有限体积格式少数采用有限元格式或谱离散模式目前国外发展的海洋模式比较著名的有美国国家海洋和大气局 NOAA 地球流体动力学实验室 GFDL 发展的模块化海洋模式 MOM Princeton大学大气和海洋科学实验室的 Alan F.Blumberg 和 George L.Mellor 1987 发展起来的海洋数值模式 POMAlan Blumberg 发展的河口-海岸-海洋模式 ECOM-si 美国 Miami大学发展的等密面坐标海洋模式 MICOM Robert Hallberg 发展的等密面坐标模式HIM 混合坐标海洋模式 HYCOM 区域海洋
17、模拟系统 ROMS Princeton 大学和 Rutgers 大4学联合开发的随地坐标海洋模式 TOMS 德国 Hamburg 大学海洋研究所发展的三维斜压陆架海模式 HAMSOM 海洋环流并行模式 POP 等。我国海浪模拟工作是于 20 世纪 80 年代发展起来的。早在 20 世纪 60 年代我国就有专门的小组研究了适合我国沿海海区的波浪推算方法并在许多海港工程设计中得到了应用。到了 80 年代在文圣常和余宙文 1984 的著作海浪理论与计算原理中全面论述了现代海浪理论及其各类海浪计算模式指导着我国海洋学研究者研制适合我国海域的数值模拟方法中。1.3 海域概况象山港海域,位于宁波市东南部，
18、浙江省镇海县梅山岛与象山县钱仓之间，夹在穿山半岛与象山半岛之间，东临大目洋，是一个由东北向西南深入内陆的狭长型半封闭型海湾，是一个理想的深水避风港。象山港全港纵深 60 多千米，港深水清，水深大约在 1015 米。象山港的海岸线曲折，海港岸线全长 406 千米，其中大陆岸线有 297 千米。港湾内有西沪港、黄墩港和铁港三个支港。全港集水面积大约为 1445平方公里，年平均经流量为 12.89 亿立米。象山港总面积约 630 平方公里，其中低潮位时的水域面积为 410 平方公里，滩地面积为 220 平方公里，港内滩地约占总面积的 34.9%，港域横贯象山、宁海、奉化、鄞州、北仑五县市区。象山港西
19、、南、北三面群山环绕，口外有六横等岛屿掩护，港内风平浪静。象山港内海产品种类达320 余种，是浙江省主要水产养殖基地。象山港地区的潮汐属非正规半日浅海潮。因为在多股不同水流的交汇和港内各个位子地形的不同影响着港内的潮流运动。当潮波分别从几个水道不同传入时，因为这些潮波来向不同，使得其位相和振幅都不一，所以可以发现在不同的地点与不同的深度，海流受到的作用会有强弱之分和先后之别。当他们相遇合成时将产生旋转方向上的差异，比如发生在同一测站不同层次存在差异，或者在同一层次不同测站有差异，或者在顺时针方向旋转有差异，或者在逆时针方向旋转有差异。这种不同旋转方向的潮流运动，增强了港内水体的涡动混合，有利于
20、阻滞泥沙的沉降，对保持港湾水深也是一个良好的动力因素。而本次研究主要是在基于海洋科学学科理论基础上，涉及水动力理论的知识与港口工程知识，并且需要通过数值模拟来实现。而在前人观察研究象山港的基础上，我们需要更加深入专注于讨论象山港海域潮汐海浪运动。1.4 象山港潮汐的研究概况目前关于象山港海域潮流的研究主要有：董礼先; 苏纪兰的利用5年的实测水文资料分析了象山港与混合密切相关的盐度分布和环流结构，并对盐度锋面出现成因进行了探讨。象山港狭湾内以重力环流为主，狭湾外以水平环流为主。董礼先; 苏纪兰的利用年象山港的实测水文断面资料和盐度通量分析方法定量检验了各种动力因子对象山港水体混合的贡献，探讨了象
21、山港水体混合的控制机理。象山港牛鼻水道至佛渡水道为平流和潮弥散混合区，水体纵向混合较好。象山港狭湾内段的潮混合强度较弱，垂向环流和潮振荡的垂向切变作用突出，水体纵向混合较狭湾外差。象山港狭湾外段为内段与口外的过渡区，各种混合因子的地位随季节和潮汛而变，水体混合状况介于狭湾内段和口外之间。董礼先; 苏纪兰通过象山港水域的潮波运动数值模拟，分析的象山港 M4 分潮的生成和增长机制结果说明，潮波传播中的非线性底摩擦效应是 M4 分潮生成和增长的主要控制因子，M4 分潮在湾内的共振现象也起着重要的放大作用二平流效应在绝大部分区域中抑制了 M4 分潮的发展，只有在佛渡水道中一些岛屿周围极小区域内对 M4
22、分潮有增强作用潮滩在湾内对 M4 分潮的影响极其微弱1.5 本文研究内容日前关于象山港潮汐,潮流的研究不多，并且主要是董礼先; 苏纪兰做的，数据的分析也是大部分集中在年象山港的资料，而且目前未见到报道有其他学者在该海域的潮汐，潮流特性上进行更加深入的研究探讨。正如上文所述，我们需要更加全面的了解象山港的水域，所以本文希望能够研究象山港潮汐状况。我们采用 Delft-3D 数值模拟，它是目前世界上最为先进的完全的 3 维水动力水质模型系统，尤其独一无二地支持曲面格式。采用的数据是 2008 年的象山港水域的数据。Delft-3D 模式数值模拟模拟出一个平面上的水动力全过程，通过潮流进行数值模拟研
23、究，希望获得该海域的完整的潮汐，潮流的分布特征，并且来初步探讨象山港的水动力规律，来对象山港的潮汐涨落提供理论基础和对 Delft-3D 模式数值模拟运用于海洋工程提供科学借鉴意义。在通过研究象山港的潮流，我们可以更加了解到该海域涨落潮的运动状况，可以提前预测和了解潮流的运动状况。模式1.6 Delft3D 模式这里我们所采用的模式是Delft3D。它是一个关于水流和水质的软件包，是目前世界上最为先进的完全的3维水动力水质模型系统，并且支持曲面格式，这是其他模式所没有的。Delft3D系统它能够非常精确地进行大尺度的水流（Flow） 、水动力6（Hydrodynamics） 、波浪（Waves
24、） 、泥沙（Morphology） 、水质（Waq）和生态（Eco）的模拟计算。Delft3D采用的是Delft计算格式，使得它具有快速而稳定的性能，能够完全保证质量、动量和能量守恒；并且通过与法国EDF合作，Delft3D已经实现了类似TeleMac的有限单元法(Finite Elements)计算格式供用户选择；系统自带丰富的水质和生态过程库（Processes Library） ，能帮助用户快速建立起需要的模块。并且在保证守恒的前提下，水质和生态模块采用了网格结合的方式，使得运算成本大幅度降低了。系统实现了与GIS的无缝链接，有强大的前后处理功能，并与Matlab环境结合，支持各种格式的
25、图形、图像和动画仿真；基于Visual Basic的用户界面非常友好。Delft3D是荷兰Delft水力研究院开发的。它的总的思想是生成网格和网格节点上的水深文件，通过对应的模块来计算相应水流问题，根据计算结果处理得到的数据。所以这个软件包括生成网格和网格节点上的水深的网格生成部分；在它的模块中包括三维的水流计算、波浪、水质、生态、泥沙输送和地形演变等模块；并且在计算后提供了后处理的软件(post-processing简称GPP)，对于每个模块都有自己的菜单和运行对话框。它在许多河流及海域的模拟中起到了很好的作用。Delft3D软件总体上采用的是基于flow模型的核心，其它模型在flow模型上扩展、构形。它是一个包括了计算水利中很多相关问题的软件，其中包括了水环境、水生态、地形演变、泥沙输送等。其结式框图见图2.1。本文中重点介绍了它在水利计算中常用的几个模块。利用Delft3D软件计算工程问题的时候，首先要做的是根据实际的计算区域生成网格。具体介绍如下:图1.1 delft模式结构框图Fig1.1 The block diagram of delft mode
