申请/专利权人：中国科学院南京地理与湖泊研究所

申请日：2021-01-20

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN112749520B

主分类号：G06F30/28

分类号：G06F30/28;G06F111/10;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2021.05.21#实质审查的生效;2021.05.04#公开

摘要：本发明涉及大型浅水湖泊三维水动力数值模型建模方法，对建模区域建立三维湖流数值模型LCM和浅水风浪数值模型SWAN；其中LCM模型在σ坐标系中建立，控制方程为连续方程、动量守恒方程和热力学方程，动量守恒方程中包含浪致辐射应力项；为LCM施加边界条件，包括水气边界条件、水土边界条件、热通量，其中水气边界施加风应力，水土边界考虑湖床摩阻；最后基于LCM和SWAN建立风浪和湖流耦合的数值模型WHM‑3D。本发明的建模方法建立的WHM‑3D模型不仅具有模拟波特征要素时空变化的能力；还显著提升了对流速的模拟精度，能够更加准确地模拟盛行风场条件下的太湖风生水体运动过程。

主权项：1.一种大型浅水湖泊三维水动力数值模型建模方法，其特征在于，包括：对建模区域建立三维湖流数值模型LCM和浅水风浪数值模型SWAN；其中LCM模型在σ坐标系中建立，控制方程为连续方程、动量守恒方程和热力学方程，动量守恒方程中包含浪致辐射应力项，得到σ坐标系中LCM模型的控制方程如下： 式中：u，v，w分别为x，y，σ方向上的流速分量；h，ζ和H分别为底高程，水位和水深；f为科氏力参数，ω为地球自转角速度，为地理纬度；Fx,Fy为x，y方向上的浪致辐射应力；ρ，ρ0分别为水密度和参照密度；g为重力加速度；AH，AV为水平涡粘系数，垂向涡粘系数；T为水温；KH，KV为热量在水平和垂向的湍流扩散系数；Sh，CP为外部进入系统的热量和热容量；AV和KV采用混合长度法计算；εU，εv，εT为坐标转换中产生的小项，表达式分别为A.6，A.7和A.8； 为LCM施加边界条件，包括水气边界条件、水土边界条件、边界热通量，其中水气边界施加风应力，水土边界考虑湖床摩阻；施加于水气边界的风应力基于下式计算： 式中，AV为垂向涡粘系数；H为水深；u，v分别为x，y方向上的流速分量；ρa为空气密度；ρ为水密度；uw，vw为水面以上某一高度处的风速在x和y方向的分量；Cs为风拖曳系数；风拖曳系数的确定方式为：以uw，vw为变量，分别建立x方向和y方向的风拖曳系数表达式，风拖曳系数的计算方程基于实测值拟合获取，采用分段函数计算风拖曳系数，在低风速段采用定常值，高风速段采用逻辑曲线表达，如下：x方向Cs：y方向Cs：边界热通量为： 式中，ρS为表层水密度；QSN，QLN，QH，QE分别为向下太阳辐射、大气长波辐射以及湖面感热和潜热；考虑湖床摩阻的水土边界条件为： 式中，CB为河床阻力系数；此外，模型假设水土边界热通量为0；基于LCM和SWAN建立风浪和湖流耦合的数值模型WHM-3D；LCM为SWAN提供水位和流速输入，SWAN输出的波要素特征值用于计算浪致辐射应力对风生流的作用。

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权利要求：

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