專利名稱：一種近岸島礁型人工魚礁群流場仿真建模的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)值模型建模領(lǐng)域，尤其涉及一種近岸島礁型人工魚礁群流場仿真建模的方法。
背景技術(shù)：
人工魚礁是投放在海洋中，用于改善海域生態(tài)環(huán)境、增殖漁業(yè)資源的人工構(gòu)造物， 可分為沉底式人工魚礁和浮式人工魚礁。進(jìn)入21世紀(jì)，我國沿海各地都在建設(shè)不同規(guī)模的人工魚礁項(xiàng)目。人工魚礁投放在海底后，受到海流的作用力，會(huì)在迎流面?zhèn)犬a(chǎn)生上升流，在背流面?zhèn)犬a(chǎn)生背渦流。上升流能將海洋底層的營養(yǎng)鹽源源不斷地輸送到真光層中，從而提高海域的初級生產(chǎn)力，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)魚類的增殖能力；背渦流能為一些魚類提供流速相對較緩的棲息場所；魚礁投放后，在礁體周圍形成強(qiáng)弱流交替的三維流場，流速不等的湍流空間能有效誘集不同的經(jīng)濟(jì)魚類。因此，為使人工魚礁發(fā)揮最大的流場調(diào)控效能，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的，對魚礁投放前后的流場仿真模擬十分重要。小規(guī)模流場的測算模型建立在一個(gè)數(shù)值水槽中，通常整個(gè)水槽的水深相同或變化規(guī)則。在實(shí)際海域中，水深和岸線復(fù)雜多變，特別是目前我國的人工魚礁較多地建設(shè)在近岸多島礁的海域，這就需要建立具有實(shí)際水深變化以及島礁岸線的數(shù)值仿真模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種一種近岸島礁型人工魚礁群流場仿真建模的方法，在近岸島礁型人工魚礁群流場仿真建模過程中，實(shí)現(xiàn)符合海域?qū)嶋H海底水深起伏以及復(fù)雜島礁海岸線變化的問題。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，
一種近岸島礁型人工魚礁群流場仿真建模的方法，包括以下步驟
a、劃定需要進(jìn)行建模的矩形目標(biāo)海域，目標(biāo)海域離開邊界距離500m以上，矩形的長邊平行于當(dāng)?shù)爻绷髦髁鬏S方向，矩形的寬邊垂直于當(dāng)?shù)爻绷髦髁鬏S方向，對矩形進(jìn)行網(wǎng)格化， 長、寬邊的水平網(wǎng)格分辨率相同，劃分為mXn節(jié)點(diǎn)(假設(shè)m > η),以實(shí)際海域的水深和島嶼高程為依據(jù)，利用MATLAB軟件的插值函數(shù)內(nèi)插得到mXn節(jié)點(diǎn)處的水深(平均海面以下，為負(fù)值)或島嶼高程(平均海面以上，為正值，可將最大值取為當(dāng)?shù)氐淖畲蟪备?，按順序輸出η 個(gè)sldcrv文件，文件中含m行數(shù)據(jù)，每行3列，包括有東西向的χ坐標(biāo)，南北向的y坐標(biāo)， 以及垂向的ζ坐標(biāo)，ζ坐標(biāo)尺度對應(yīng)水深或高程值，為便于后續(xù)建模中的視覺判定，將水深或高程值擴(kuò)大10倍；
b、在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks中按順序?qū)隺步驟中所生成的η個(gè)sldcrv 文件，得到η條垂向起伏的等間距線段，逐條連接這η條線段，使其產(chǎn)生一個(gè)底面，判斷地形的起伏及島嶼分布是否與實(shí)際海域相同，拉伸這個(gè)底面至當(dāng)?shù)仄骄Ｃ娓叱蹋玫揭粋€(gè)地形起伏、包含島礁岸線、海面水平的大型數(shù)值水槽，通過島嶼形狀的建模在該數(shù)值水槽中摳除島嶼陸地部分，或者直接根據(jù)實(shí)際高程使島嶼部分不參與計(jì)算，并縮短ζ坐標(biāo)尺度為a步驟中的1/10，使ζ坐標(biāo)尺度與實(shí)際海域相符，導(dǎo)出數(shù)值水槽模型文件；
c、利用CFD軟件的前處理軟件導(dǎo)入b步驟中所導(dǎo)出的數(shù)值水槽模型文件，所述CFD軟件的前處理軟件優(yōu)選Gambit和Tgrid ；
d、在Gambit中生成面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，利用Tgrid軟件生成用于未投礁海域流場仿真計(jì)算的四面體網(wǎng)格；
e、在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks中建立人工魚礁三維模型，所述人工魚礁三維模型的構(gòu)造及尺寸與實(shí)際礁體完全相同；
f、在MATLAB軟件中用插值函數(shù)內(nèi)插得到魚礁投放水域的實(shí)際水深，輸出每個(gè)魚礁單體對應(yīng)的X，1，ζ坐標(biāo)值，利用Gambit在c步驟所建數(shù)值水槽基礎(chǔ)上導(dǎo)入e步驟中的人工魚礁三維模型，將魚礁單體根據(jù)上述坐標(biāo)移動(dòng)到位；
g、剔除f步驟中需在三維數(shù)值水槽模型內(nèi)設(shè)置的人工魚礁的三維模型所在區(qū)域，得到三維數(shù)值水槽模型剩余部分，利用CFD軟件的前處理軟件對剩余部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型文件；在Gambit中重新生成面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，利用Tgrid軟件生成最后用于投礁后流場仿真計(jì)算的四面體網(wǎng)格。另外，b步驟中在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks中按順序?qū)隺步驟所生成的 η個(gè)*. sldcrv文件，得到η條垂向起伏的等間距線段，逐條連接這η條線段，使其產(chǎn)生一個(gè)底面，為判段地形的起伏及島嶼分布是否與實(shí)際海域相同，ζ坐標(biāo)數(shù)據(jù)此前擴(kuò)大10倍，判斷所建地形正確后，將所得到的一個(gè)地形起伏、包含島礁岸線、海面水平的大型數(shù)值水槽的垂向尺度縮短為此前的1/10 ；所述人工魚礁群為復(fù)數(shù)個(gè)人工魚礁單體的排列組合。本發(fā)明提出的仿真建模方法可以用于近岸島礁型人工魚礁群流場仿真的建模，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks對海底地形和島礁分布以及人工魚礁進(jìn)行三維立體造型，人工魚礁可以是魚礁單體或多魚礁單體的排列組合，把魚礁單體或多魚礁單體的排列組合設(shè)置于包含起伏海底地形及島礁的大型數(shù)值水槽內(nèi)。最后需要剔除b步驟中大型數(shù)值水槽模型內(nèi)的人工魚礁的三維模型所在區(qū)域，然后對三維數(shù)值水槽模型進(jìn)行三維網(wǎng)格剖分，為體現(xiàn)魚礁體的復(fù)雜變化，本發(fā)明采用四面體網(wǎng)格，然后把得到的網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFD軟件，CFD軟件優(yōu)選Fluent軟件。綜上所述，本發(fā)明應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)來建立近岸島礁型人工魚礁群流場仿真模型，可以有效的克服現(xiàn)有建模過程中存在的各種問題，例如海底實(shí)際地形起伏變化、島嶼岸線走向復(fù)雜等，并且能保證建模的精度優(yōu)于目前常用的按比例縮小的物理模型等建模方法，使用本發(fā)明方法能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)值建模，幾何精度可達(dá)厘米級。


圖1為solidworks導(dǎo)入實(shí)際海域水深曲線；
圖2為so Iidworks通過放樣曲面形成海底地形曲面；
圖3為solidworks導(dǎo)入畫基準(zhǔn)面的兩條曲線畫基準(zhǔn)面；
圖4為soIidworks通過凸臺(tái)拉伸形成體；
圖5為solidworks導(dǎo)入島嶼地形曲線；
圖6為solidworks轉(zhuǎn)換實(shí)體引用對島嶼進(jìn)行拉伸切除；
圖7為solidworks通過比例縮放，垂向尺度縮短為此前的1/10 ；圖8為Gambit導(dǎo)入(import)數(shù)值水槽模型的*. step文件； 圖9是Gambit將人工魚礁體與海底形成一體； 圖10是Gambit通過split分塊劃分網(wǎng)格。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合圖示與具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
本實(shí)施例中，具體建模過程如下1.劃定需要進(jìn)行建模的矩形海域4000mX4000m，水平空間分辨率相同，劃分為mXn節(jié)點(diǎn)(假設(shè)m > n)，以實(shí)際海域的水深或島嶼高程為依據(jù)，利用MATLAB軟件的插值函數(shù)內(nèi)插得到mXη節(jié)點(diǎn)處的水深或島嶼處的高程，按順序輸出η個(gè)*. sIdcrv文件中，文件中含m行數(shù)據(jù)，每行3列(包含東西向χ坐標(biāo)，南北向y坐標(biāo)，垂向ζ坐標(biāo)，即水深或高程)；2.在solidworks內(nèi)導(dǎo)入1中輸出的實(shí)際海域水深曲線(圖1)，通過放樣曲面形成海底地形曲面(圖幻，再導(dǎo)入畫基準(zhǔn)面(平均海面)的兩條曲線畫基準(zhǔn)面(圖3)，通過凸臺(tái)拉伸形成體(圖4)，然后通過導(dǎo)入島嶼地形曲線(圖5)，轉(zhuǎn)換實(shí)體引用對島嶼進(jìn)行拉伸切除(圖6)， 最后通過比例縮放，垂向尺度縮短為此前的1/10(圖7)，導(dǎo)出數(shù)值水槽模型的step文件；3.在Gambit下導(dǎo)入(import)數(shù)值水槽模型的*.step文件(圖8)，根據(jù)實(shí)際海域中投放人工魚礁的位置和排列方式，在MATLAB等軟件中插值函數(shù)內(nèi)插得到魚礁投放水域的實(shí)際水深，輸出每個(gè)魚礁單體對應(yīng)的X，1，ζ坐標(biāo)值，將魚礁單體根據(jù)上述坐標(biāo)移位，再通過摳除(subtract)操作將人工魚礁體與海底形成一體(圖9)，為了進(jìn)一步提高網(wǎng)格的精度，并盡量消除面網(wǎng)格的瓶頸，通過split分塊劃分網(wǎng)格(圖10)；4.三維數(shù)值水槽模型各個(gè)面進(jìn)行屬性設(shè)置水流進(jìn)口面(In)速度進(jìn)口(velocity-inlet)，流向?yàn)棣州S方向，流速大小設(shè)為恒定值 (即為人工魚礁區(qū)的實(shí)測潮周期平均流速)；水流出口面(Out)速度出口(velocity-inlet)，大小為進(jìn)口面積X進(jìn)口流速/出口面積，取負(fù)值；單礁體模型表面(Reef)固體邊界(wall)，并根據(jù)礁體和表面粗糙度設(shè)置固體邊界的糙率；第一側(cè)面和第二側(cè)面(Sidel、Sidd)選用對稱邊界條件，在數(shù)值水槽寬度足夠大的前提下(側(cè)邊界處流場已不受礁體影響)，可認(rèn)為在對稱平面上，既無質(zhì)量的交換，也無熱量等物理量的交換，因此，在對稱邊界上，垂直于邊界的速度分量為零，任何量的梯度也為零；頂部(Top )沉底式魚礁的投放水域一般同時(shí)需保證通航需要，礁體頂部到海面具有一定安全水深距離，因此可忽略礁體對水位的影響，因此選用對稱邊界(moving wall)；底部選用固體邊界(wall)，可根據(jù)底質(zhì)粒徑設(shè)置固體邊界的糙率，由于粗糙程度對單礁體周圍整體流態(tài)的影響有限，因此對于固體邊界的糙率設(shè)置的誤差不會(huì)對最終測算結(jié)果造成影響；5.將Gambit畫好的網(wǎng)格導(dǎo)入到Tgrid中，首先對面網(wǎng)格進(jìn)行修正，使其扭曲度盡量保證在0.5以下，然后生成體網(wǎng)格，為了降低體網(wǎng)格的扭曲度，進(jìn)行網(wǎng)格加密，使其扭曲度降到0.8以下，在進(jìn)行網(wǎng)格refine的時(shí)候，盡量保證體網(wǎng)格數(shù)在400萬以內(nèi)。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種近岸島礁型人工魚礁群流場仿真建模的方法，其特征在于，包括以下步驟a、劃定需要進(jìn)行建模的矩形目標(biāo)海域，目標(biāo)海域離開邊界距離500m以上，矩形的長邊平行于當(dāng)?shù)爻绷髦髁鬏S方向，矩形的寬邊垂直于當(dāng)?shù)爻绷髦髁鬏S方向，對矩形進(jìn)行網(wǎng)格化， 長、寬邊的水平網(wǎng)格分辨率相同，劃分為mXn節(jié)點(diǎn)，m>n，以實(shí)際海域的水深和島嶼高程為依據(jù)，利用MATLAB軟件的插值函數(shù)內(nèi)插得到mXn節(jié)點(diǎn)處的水深或島嶼高程，按順序輸出η 個(gè)sldcrv文件，文件中含m行數(shù)據(jù)，每行3列，包括有東西向的χ坐標(biāo)，南北向的y坐標(biāo)， 以及垂向的ζ坐標(biāo)，ζ坐標(biāo)尺度對應(yīng)水深或高程值，為便于后續(xù)建模中的視覺判定，將水深或高程值擴(kuò)大10倍；b、在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks中按順序?qū)隺步驟中所生成的η個(gè)sldcrv 文件，得到η條垂向起伏的等間距線段，逐條連接這η條線段，使其產(chǎn)生一個(gè)底面，判斷地形的起伏及島嶼分布是否與實(shí)際海域相同，拉伸這個(gè)底面至當(dāng)?shù)仄骄Ｃ娓叱?，得到一個(gè)地形起伏、包含島礁岸線、海面水平的大型數(shù)值水槽，通過島嶼形狀的建模在該數(shù)值水槽中摳除島嶼陸地部分，或者直接根據(jù)實(shí)際高程使島嶼部分不參與計(jì)算，并縮短ζ坐標(biāo)尺度為a步驟中的1/10，使ζ坐標(biāo)尺度與實(shí)際海域相符，導(dǎo)出數(shù)值水槽模型文件；c、利用CFD軟件的前處理軟件導(dǎo)入b步驟中所導(dǎo)出的數(shù)值水槽模型文件，所述CFD軟件的前處理軟件優(yōu)選Gambit和Tgrid ；d、在Gambit中生成面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，利用Tgrid軟件生成用于未投礁海域流場仿真計(jì)算的四面體網(wǎng)格；e、在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks中建立人工魚礁三維模型，所述人工魚礁三維模型的構(gòu)造及尺寸與實(shí)際礁體完全相同；f、在MATLAB軟件中用插值函數(shù)內(nèi)插得到魚礁投放水域的實(shí)際水深，輸出每個(gè)魚礁單體對應(yīng)的X，1，ζ坐標(biāo)值，利用Gambit在c步驟所建數(shù)值水槽基礎(chǔ)上導(dǎo)入e步驟中的人工魚礁三維模型，將魚礁單體根據(jù)上述坐標(biāo)移動(dòng)到位；g、剔除f步驟中需在三維數(shù)值水槽模型內(nèi)設(shè)置的人工魚礁的三維模型所在區(qū)域，得到三維數(shù)值水槽模型剩余部分，利用CFD軟件的前處理軟件對剩余部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型文件；在Gambit中重新生成面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，利用Tgrid軟件生成最后用于投礁后流場仿真計(jì)算的四面體網(wǎng)格。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近岸島礁型人工魚礁群仿真建模的方法，其特征在于，b步驟中在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks中按順序?qū)隺步驟所生成的η個(gè)sldcrv文件， 得到η條垂向起伏的等間距線段，逐條連接這η條線段，使其產(chǎn)生一個(gè)底面，為判斷地形的起伏及島嶼分布是否與實(shí)際海域相同，ζ坐標(biāo)數(shù)據(jù)此前擴(kuò)大10倍，判斷所建地形正確后，將所得到的一個(gè)地形起伏、包含島礁岸線、海面水平的大型數(shù)值水槽的垂向尺度縮短為此前的 1/10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近岸島礁型人工魚礁群仿真建模的方法，其特征在于， 所述人工魚礁群為復(fù)數(shù)個(gè)人工魚礁單體的排列組合。
全文摘要
本發(fā)明提出一種近岸島礁型人工魚礁群流場仿真建模的方法，該方法通過平面插值對海底地形進(jìn)行網(wǎng)格化，通過SolidWorks軟件構(gòu)建復(fù)雜海底起伏地形，作為一數(shù)值水槽的底面，構(gòu)建海平面后得到一個(gè)三維立體數(shù)值水槽，并通過島嶼形狀的建模在此水槽中摳除島嶼陸地部分；在GAMBIT軟件中導(dǎo)入上述包含島嶼及人工魚礁區(qū)范圍的數(shù)值水槽，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對人工魚礁進(jìn)行三維立體造型，把魚礁單體或多魚礁組合體設(shè)置于上述數(shù)值水槽內(nèi)，通過平面插值得出魚礁位置及其所處水深，在數(shù)值水槽底部摳除人工魚礁固體部分，經(jīng)過合并后在GAMBIT中對上述數(shù)值水槽進(jìn)行面網(wǎng)格剖分，把面網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tgrid軟件進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFD軟件即可進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。
文檔編號G06F17/50GK102567594SQ201210038040
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者葉靈娜, 張麗珍, 林軍, 章守宇 申請人:上海海洋大學(xué)