搜索海浪模擬研究情況介紹
2017-05-05 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
海浪的研究在現代水力學、流體力學、波浪學、計算機圖形學、虛擬現實應用、雷達回波模擬等領域中凸現出重要價值。海浪模擬技術作為海浪研究的重要內容:在軍事領域中應用于海戰場環境仿真研究、海軍戰術導彈飛行控制實驗、海面回波仿真、雷達成像模擬研究等,為作戰平臺的仿真開發、武器系統的研制奠定了基礎。
海浪建模作為海浪模擬技術的第一個環節,也是最基礎和最重要的的環節,其好壞直接影響著海浪模擬的逼真程度和效率。
海浪是指海洋上水氣界面的周期性波動,是海洋上最常見的物理現象。在海面上最易發生且影響最大的就是風浪和涌浪,故此處重點介紹風浪和涌浪的形成過程。
1,風浪的形成
風浪的形成可以看作是大氣到海洋的能量傳播過程。海浪的產生要滿足三個條件:1)必須存在一個不受擾動的平穩狀態;2)必須存在破壞平衡的擾動;3)必須存在一個恢復平衡的回復力。在海洋中,海面受風的壓力變化發生凹凸,海面的表面張力使其復原時發生振動,此時即為海面上產生的漣漪,為海浪的起始時期。海浪繼續受風的剪力作用,并與陣風產生共鳴作用,從風中吸取能量,波高逐漸加高,波長逐漸加長,到達波瀾壯闊的情況,此為海浪的青春期及壯年期。此時逼使水面復原而產生波動的力為重力,故稱為重力波。如果風速保持不變,則揚波域的風浪不再變化。實際的開闊大洋上,由于氣壓系統的移動和流場的不斷變化,不容易出現較長時間穩定的風向、風速對波浪發生作用,充分成長的風浪也不會經常出現。
2,浪涌的形成
當風開始平息或是波浪的前進速度發展至大于風速時,海浪不再成長,并脫離揚波域向靜水域前進,即成為涌浪。此時己不能由風中取得能量,同時更因海水的粘滯性而生的內部摩擦及波浪前進時的相對風速,使得波高減低,此為海浪的中年期。進入較淺處發生觸底現象后,海浪受環境影響而變形,此時的衰減現象更為顯著,可謂海浪的晚年期。最后海浪在不能維持其波形的物理條件下產生碎波。
3,建模方法
海浪作為一類復雜的自然現象,波動規律十分復雜,在時間和空間上具有不規則性。目前主要有如下幾類方法:基于流體力學的建模方法、基于海浪譜的建模方法、基于幾何造型的建模方法、基于動力模型的建模方法、基于分形的建模方法。
3.1 流體力學建模
此建模方法通過求解N-S方程組得到流體質點在各個時刻的狀態來生成海浪,而不是直接模擬海浪的運動,這類方法可以稱之為基于物理的方法。Kass等人通過簡化二維淺水波方程組來模擬不同深度的波浪,將水表面看成高度場,將水體分成一個個水柱,假定水柱本身沒有垂直的速度,只有水平的速度且速度恒定,設置初始條件時只要設置一部分水柱的高度與周圍水柱的高度不一樣,通過N-S方程會自動產生波浪,真實的表現了流體的運動效果,此類方法常用于模擬淺水波而不能模擬碎浪。陳前華采用數值迭代方法求解二維的N-S方程。徐迎慶等通過求解水力學方程組直接得到流水的形態,提出了一個基于物理模型的模擬流水和波浪的計算機動畫方法,通過調整方程的初始條件,可以比較真實地模擬水流及波浪的不同形態。Foster等則直接利用數值方法求解三維流場從而更加真實全面地模擬了流體運動。Geof-freyIrving[11]則沒有用傳統的高度場的方法,而采用三維N-S方程自由表面解來模擬整個水體頂層表面。Mihalef[12]也從N-S方程出發提出了一類切片法,先構建一個二維垂直碎浪切片庫,之后而從這個波浪庫中選出垂直方向的二維切片來構建破碎波浪的三維波形。
這類方法的效果比較真實,適用范圍較為廣泛。但是該方法的求解過程非常復雜,計算量往往很大,效率較低,在普通計算機上生成一幅圖像需要很長的時間,不適用于實時的海浪生成。
3.2 基于海浪譜的建模方法
基于海浪譜的建模方法就是將隨機海浪的特征抽象為隨機過程的數學模型,即將隨機海浪模型抽象為眾多隨機成分之和,此和中的成分都是簡單的波形函數,且波形函數中的各項參數可利用海浪譜得到。此方法是由海洋學家Neummn和Pier-son等人在20世紀40年代提出的。目前,已經成熟的隨機海浪模型有Pierson模型、Longuet-Hig-gins模型、Fourier-Stieltjes積分模型、海浪波面位移鉛直速度和鉛直加速度模型等。海浪譜是海浪的重要統計性質,通過它可以得到固定點海浪組成波能量相對于頻率的分布。已有的海浪譜都以風要素或波浪要素為參量,是經驗的或半經驗半理論的。隨著合成孔徑雷達成像(SAR)技術的成熟,利用海面的SAR圖像反演海浪譜越來越受到人們的重視。
該方法提出的海浪模型包括二維海浪模型和三維海浪模型。此處著重介紹三維海浪模型,Jensen、Tessendorf分別詳細描述了利用海洋統計和經驗模型,采用一系列的正弦波的疊加來模擬海面,通過FFT(快速傅里葉變換)快速生成一個類似海浪譜分布的高度場模擬海浪的方法。此方法具有一定的真實感。謝薇、李暉采用雙疊加法模型作為理想狀態下海浪的波形模型,通過海浪譜確定海浪模型中的隨機變量。既考慮了海浪的隨機性,又基于一定的物理特征,在對海仿真中給人以更好的真實感。賈俊濤采用Phillips譜分析,提出2DFFT方法,提高了海浪仿真中動態數據的生成效率,并且可以生成不同分辨率的海浪波高。元健勝在賈俊濤的基礎上對模型進行了一些微小的改動,使得海浪的波峰變得尖銳,波谷更為平坦,使模擬的圖像逼真度進一步提高。曾凡濤提出了譜 紋理坐標移動的模擬。Jocelyn采用基于海浪譜的Gerstner模型和傅立葉變換的方法,來模擬深水域的波浪。祝力提出了用合成波加細碎波的方法進行海浪的動態仿真,著重分析利用對合成波參數進行修正的方法來增強模擬風浪的真實效果,海浪模擬圖例說明了該仿真方法可行。在雷達回波仿真領域中,關于海浪建模,常使用的是二尺度海面模型,即假定海浪由大尺度波長波浪以及疊加在其上的小尺度波細浪、紋波等微尺度波組成,小尺度波由海譜統計描述,大尺度波根據線性海浪理論的線性模型描述。
上述利用線性模型進行建模的方法叫線性疊加法。其概念清晰,方法簡單。但計算量太大,實時性較差;同時由于這類方法是基于小振幅波的線性疊加,因此生成的波形比較圓滑,與真實的海浪(真實的海浪波峰較尖,而波谷較長)相比逼真性較差;而且線性疊加法不能模擬卷風波。
基于海浪譜的建模方法中還有線性過濾方法。所謂線性過濾法就是根據要模擬的海浪譜,設計一個濾波器,在這個濾波器的一端輸入已知的隨機過程(通常采用白噪聲),再濾波器的輸出端,即可得到所需模擬的波面方程。由于在濾波的過程中不能帶入位置信息而只能得到固定點的波高序列;而且這類方法的海浪波高序列的譜特性與真實海浪譜還有較大的差異,所以該方法沒有的得到廣泛的應用。
3.3 幾何模型建模
這類方法從海浪的幾何形態出發,根據海浪呈現的幾何形狀,采用幾何的曲線或曲面來表示海浪表面,人為的設置波浪的各屬性參數值,從而在計算機上產生各類海浪數據。此項建模技術的典型方法有凹凸映射法、基于Stokes模型的建模方法、基于Peachey模型的建模方法以及基于Gerstner模型的建模方法等。凹凸映射方法(bumpmap-ping)就是通過對表面法向量進行擾動,獲得真實的粗糙表面紋理。Pozzer等人采用凹凸映射方法對海浪建模。這類方法比在光滑表面添加紋理要好,因為在光滑表面添加紋理生成的表面仍十分光滑,但它不能生成真實感較強的海面,逼真性較差。
3.4 動力模型建模
基于動力模型的建模方法從運動的角度模擬海浪,它并不是簡單的追求海浪的形態,而是用單個的運動的粒子或是劃分單元來表示海浪的總體形狀和特征的動態變化。目前比較有代表性的是細胞自動機方法和粒子系統方法。
相關標簽搜索：海浪模擬研究情況介紹 Fluent培訓 Fluent流體培訓 Fluent軟件培訓 fluent技術教程 fluent在線視頻教程 fluent資料下載 fluent分析理論 fluent化學反應 fluent軟件下載 UDF編程代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析
