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大型海湾水交换高效计算方法研究

作　者: 李小宝
导　师: 陶建华
学　校: 天津大学
专　业: 流体力学
关键词: 水交换大型海湾水交换矩阵随机游动三维潮流模型并行数值模拟
分类号: P731
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水交换能力是海湾、近岸海域的重要水动力学特性,它与区域水体的自净能力、环境容量、营养盐输运、生态环境等有着紧密的联系。随着科学技术的进步和社会经济的发展,人们对于海洋的开发热情日益高涨,人类在海洋、近岸海域的生产活动不可避免对海洋自然环境产生影响。研究在各种生产活动下海域水动力和水交换的变化情况,对于保障海洋产业的可持续发展和海洋资源的合理利用具有重要的意义。本文针对大型海湾水交换问题,在数值模拟的基础上,采用随机游动的方法来计算水交换矩阵,并将水交换矩阵应用于海湾内不同区域之间的水交换研究。水动力参数是运行随机游动模型的基础,为了更为准确和快速地获取与实际相符的水动力参数,本文建立了分层三维潮流模型,并实现了它的并行计算。通过对目前常用水交换研究方法的总结,发现利用随机游动粒子跟踪模型可以弥补传统的拉格朗日粒子跟踪模型对水体扩散效果的忽略,同时又可以有效地避免对流扩散模型在特殊情况下产生的数值振荡及由此导致的不准确的水交换模拟结果。另一方面,利用具有拉格朗日特性的随机游动模型可以方便快速地实现诸如年龄等基于拉格朗日观点的水交换时间尺度的计算。通过一系列经典算例的严格验证,证明了随机游动方法可用于对流扩散现象的准确模拟,并实现了随机游动模型的并行计算。在大型海湾水交换研究中,通过将随机游动模型应用于水交换矩阵的运算,验证了在粒子数目较多的情形下,随机游动模型计算结果和对流扩散模型吻合很好。理论上证明了利用水交换预测矩阵可以对大型海湾的中长期水交换进行快速预测;分析了随机游动模型的粒子数目、矩阵取值时间和海域分区数目对水交换预测矩阵预测精度的影响,并用数值实验进行了验证。将随机游动模型应用于渤海和天津近岸海域的水交换研究,分析了有无风场对渤海各海区水交换的影响。在研究天津近岸海域岸线变化对水交换的影响时,提出了分区平均驻留时间的概念,基于此概念对比分析了不同海域之间水交换的变化情况;将随机游动模型和年龄时间尺度结合起来,分析了岸线变化对点源污染输移路径的影响。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-21
  1.1 研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-19
    1.2.1 水交换计算方法的研究现状  9-13
    1.2.2 随机游动方法  13-16
    1.2.3 水动力学模型及其并行求解  16-19
  1.3 本文主要工作  19-21
第二章分层积分三维潮流模型及其并行计算  21-42
  2.1 分层积分三维潮流模型  21-31
    2.1.1 分层积分三维潮流模型的控制方程及其差分格式  21-26
    2.1.2 动边界的处理方法  26-28
    2.1.3 模型的数值检验  28-31
  2.2 分层三维潮流模型的并行算法及实现  31-36
    2.2.1 分层三维潮流模型的并行算法  31-34
    2.2.2 并行计算中的数据传递实现  34-36
  2.3 并行算法的可靠性及其效率分析  36-40
    2.3.1 算法的可靠性检验  36-37
    2.3.2 并行效率分析  37-40
  2.4 本章小结  40-42
第三章水交换研究中的随机游动模型  42-62
  3.1 水交换研究中常用的时间尺度和模型  42-49
    3.1.1 水交换研究中常用的时间尺度  42-44
    3.1.2 水交换研究中常用的模型  44-49
  3.2 随机游动模型及其并行实现  49-61
    3.2.1 随机游动模型的基本原理和实现方法  49-54
    3.2.2 随机游动模型的解析解检验  54-60
    3.2.3 随机游动模型的并行实现  60-61
  3.3 本章小结  61-62
第四章大型海湾水交换计算中随机游动方法的应用  62-77
  4.1 水交换矩阵和水交换预测矩阵  62-65
    4.1.1 水交换矩阵  62-63
    4.1.2 水交换预测矩阵的马尔科夫性证明  63-65
  4.2 随机游动模型在水交换计算中的应用  65-75
    4.2.1 三种模型计算所得水交换矩阵比较  65-69
    4.2.2 变化地形下的模型检验  69-71
    4.2.3 粒子数目对随机游动模型的影响  71-72
    4.2.4 预测矩阵的预测结果和数值模拟结果对比  72-74
    4.2.5 随机游动方法在大型海湾水交换计算中的优势  74-75
  4.3 本章小结  75-77
第五章渤海海域的水交换计算及研究  77-99
  5.1 渤海海域概况  77-78
  5.2 水动力学模型的验证  78-85
    5.2.1 渤海分潮验证  78-82
    5.2.2 渤海全潮验证  82-85
  5.3 随机游动模型在渤海各海区间水交换计算中的应用  85-88
  5.4 随机游动模型在天津近岸海域水交换研究中的应用  88-97
    5.4.1 天津近岸海域的功能区划  88-89
    5.4.2 天津近岸岸线变化对近岸海域功能区的影响  89-97
  5.5 本章小结  97-99
第六章结论与展望  99-101
  6.1 结论  99-100
  6.2 展望  100-101
参考文献  101-109
发表论文和科研情况说明  109-111
致谢  111

大型海湾水交换高效计算方法研究

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