(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111610504.1 (22)申请日 2021.12.27 (71)申请人 中国港湾工程有限责任公司 地址 100005 北京市东城区春秀路9号 (72)发明人 陈汨梨　杨涛　邓夕贵　李运钦　 谢守鹏　张恬　潘志刚　翁志伟　 王贤聪　刘敬　 (74)专利代理 机构 南京千语知识产权代理事务 所(普通合伙) 32394 代理人 尚于杰 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影 响数值模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于动态概化的斜坡式 潜堤波浪水动力影 响数值模拟方法， 根据斜坡式 潜堤在不同水深条件下糙率不同的特点， 在波浪 水动力数值模 型中在不同的水深时， 通过拟合斜 坡式潜堤的糙率离散值得到相应值， 将斜坡式潜 堤对波浪传播影 响动态概化为糙率作用， 弥补了 传统波浪模 型中通过改变水深模拟潜堤影响、 糙 率保持为常数的明显不足， 减少了计算网格变形 率， 实现了斜坡式潜堤的动态模拟过程， 提高了 计算速度、 稳定性， 更加准确地评估斜坡式潜堤 对周围海域的波浪传播影 响， 对斜坡式潜堤的设 计和环境影响评估具有重要意 义。 权利要求书2页 说明书6页 附图5页 CN 114329950 A 2022.04.12 CN 114329950 A 1.一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： 步骤(1)选择要计划布置斜坡式潜堤的目标海域， 并获取对应海域的海图资料； 步骤(2)根据海图资料确定目标海域的陆地边界， 结合海图资料和实测水深地形数据， 建立目标海域的水深地形 数据离散点； 步骤(3)利用非结构网格对步骤(2)所述目标海域计算区域进行空间离散， 对于计划布 置斜坡式潜堤的区域加密网格， 选择模拟计算波浪近海传播的波浪水动力数值模型； 步骤(4)在步骤(3)获得的非结构网格上， 对步骤(2)获得的地形数据离散点进行插值， 用于模型计算； 步骤(5)收集目标海域的风速资料， 利用风速资料按照相关规范方法， 推求目标海域边 界的深水波 要素， 作为 步骤(4)中的非结构网格的边界条件， 设定模型初始参数； 步骤(6)结合斜坡式潜堤的建筑材料和坡度， 在潜堤的计划布置位置， 拟建斜坡式潜 堤， 引入和水深相关联的随时间变化的糙 率值， 在此基础上进行 数值模拟计算； 步骤(7)利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算， 得到目标海域站 点的有效波高和平均周期统计值， 与实测资料进 行比对、 验证； 若模拟结果和实测资料的误 差不满足要求， 调整模型参数， 重复步骤(5)和(6)直到模型验证误差满足要求。 2.根据权利要求1所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力 影响数值模拟方 法， 其特征在于， 步骤(3)中所述模型为谱波浪模型。 3.根据权利要求2所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力 影响数值模拟方 法， 其特征在于， 步骤(5)中模型初始参数包括 糙率、 计算时间步长和波浪破碎系数。 4.根据权利要求3所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力 影响数值模拟方 法， 其特征在于， 步骤(5)中所述深水波 要素包括平均波高、 有效波高和平均周期。 5.根据权利要求4所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力 影响数值模拟方 法， 其特征在于， 步骤(6)中引入和水深相关联的随时间变化的糙率值进 行数值模拟 计算的 方法为： 依据拟建斜坡式潜堤的建筑材料和坡度设计， 按1： 50比例尺建造斜坡式潜堤模型， 放 置于重力式开放水槽中， 在不同水深条件下测量水槽的过水面积A、 水力半径R和流量Q， 按 下式计算水槽糙 率n： 式中， J为水槽坡度， 为1/100， 如 此得到不同水深对应的不同糙率； 根据1： 50比尺， 将物 理模型试验结果获得 的水深‑糙率关系， 依据水工模型试验已有方法换算至实际海域的水 深‑糙率对应值， 如表3所示： 表3 海域的水深 ‑糙率对应值 水深(m) 0.1 1 5 10 20 糙率 0.125 0.075 0.005 0.001 0.0005 。 6.根据权利要求5所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力 影响数值模拟方 法， 其特征在于， 步骤(7)中利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算， 得权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114329950 A 2到目标海域站点的有效波高和平均周期统计值的方法为： 谱波浪模型如下公式所示： 式中， N(x, σ, θ,t)为谱密度， 由 计算， E为波浪 能量密度， 由波浪有效波高H1/3和波 浪周期T确定， E＝0.5(H1/3)2T； σ 为相对频率； x(x,y)为坐标方向； 为波群 在x,y， σ和θ这4个方向的传播速度； θ为波浪传播方向； S为使方程能量守恒的源项， 代表能 量的输入输出， 如下： S＝Sbot+Ssurf                      (2) 式中， Ssurf为波浪破碎引起的能量损耗； Sbot为由于底摩擦引起的能量损耗， 如下计算： 式中， Cf是底摩阻系数， k是波数， d为水深， 取Cf＝Kn， K为常系数， 取值 为20； n为糙率； 式中， γ为波浪破碎系数； 假设当前计算时间为t， 则可通过上一时间步(t ‑Δt)时刻求解式(1)获得目标海域的 有效波高H1/3和步骤(2)中的水深地形数据确定潜堤布置处当前计算时间的水深； 若上一时 间步潜堤布置处的有效波高为H1， 步骤(2)中的水深数据为H2， 则当前时间步t潜 堤布置处的 水深H＝H1+H2， 依据当前时间步t潜 堤布置处的水深查表3， 确定 斜坡式潜 堤布置处的水底糙 率n， 则可获得当前时间步潜堤 布置处的底摩阻系数； 根据上一时间步(t ‑Δt)时刻求解式(1)获得了整个计算海域的平均波高H、 有效波高 H1/3和平均周期T参数， 根据波浪色散方程计算波浪波数k， 如下 所示： 式中， L为潜堤布置处波浪平均波长； 此外根据E＝0.5(H1/3)2T， 计算潜堤布置处的波浪 能量密度， 则根据式(3)更新潜堤 布置处底部摩擦引起的能量损耗Sbot； 由上一时间步输出的波浪平均周期T、 上一时间步输出的有效波高H1/3、 波浪破碎系数 γ， 由公式(4)计算当前时间步中式(2)中由波浪破碎引起的能量损耗Ssurf， 获得当前时间 步t的Sbot和Ssurf， 代回式(1)， 对式(1)进行求解， 获得当前时间步t的平均 波高、 有效波高和 平均周期。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114329950 A 3