Разработка модели для изучения влияния искусственных донных конструкций на гидродинамический режим вод
|
Благодарности 4
Введение 5
1 Назначение подводных конструкций в шельфовой зоне 7
1.1 Искусственные рифы, предназначенные для увеличения 9 естественной биопродуктивности
1.2 Искусственные рифы для создания волн, необходимых 19 для серфинга
1.3 Искусственные рифы для берегозащиты 24
1.4 Нефтяные платформы в роли искусственных рифов 26
1.5 Перспективы создания подводных домов 29
2 Существующие модельные подходы 31
2.1 Современные подходы в моделях гидродинамики моря 31
2.1.1 Основные уравнения гидродинамики 34
2.1.2 Модель океанической циркуляции POM 36
2.1.3 Модель Delft3D-FLOW 40
2.1.4 Модельная структура NEMO 47
2.1.5 Модель океанических и атмосферных процессов MITgcm 50
2.1.6 Система моделирования водных процессов MOHID 53
2.2 Программный модуль ANSYS для решения задач 54
аэрогидродинамического обтекания тел
3 Разработка модели гидродинамического режима и её численная 56 реализация
3.1 Формулировка модели 56
3.2 Численная реализация модели 59
3.3 Верификация модели 61
4 Численные эксперименты
4.1 Расчет обтекания кубической конструкции и сравнение 71 результатов с лабораторным экспериментом и численным решением ANSYSFluent
4.2 Обтекание двух монолитных кубических конструкций, 84
расположенных одна за другой
4.3 Обтекание двух стенок расположенных со смещением 91
относительно друг друга
4.4 Обтекание конструкции, состоящей из прямоугольных 98
монолитных блоков в виде пирамиды
Заключение 103
Список используемой литературы 108
Введение 5
1 Назначение подводных конструкций в шельфовой зоне 7
1.1 Искусственные рифы, предназначенные для увеличения 9 естественной биопродуктивности
1.2 Искусственные рифы для создания волн, необходимых 19 для серфинга
1.3 Искусственные рифы для берегозащиты 24
1.4 Нефтяные платформы в роли искусственных рифов 26
1.5 Перспективы создания подводных домов 29
2 Существующие модельные подходы 31
2.1 Современные подходы в моделях гидродинамики моря 31
2.1.1 Основные уравнения гидродинамики 34
2.1.2 Модель океанической циркуляции POM 36
2.1.3 Модель Delft3D-FLOW 40
2.1.4 Модельная структура NEMO 47
2.1.5 Модель океанических и атмосферных процессов MITgcm 50
2.1.6 Система моделирования водных процессов MOHID 53
2.2 Программный модуль ANSYS для решения задач 54
аэрогидродинамического обтекания тел
3 Разработка модели гидродинамического режима и её численная 56 реализация
3.1 Формулировка модели 56
3.2 Численная реализация модели 59
3.3 Верификация модели 61
4 Численные эксперименты
4.1 Расчет обтекания кубической конструкции и сравнение 71 результатов с лабораторным экспериментом и численным решением ANSYSFluent
4.2 Обтекание двух монолитных кубических конструкций, 84
расположенных одна за другой
4.3 Обтекание двух стенок расположенных со смещением 91
относительно друг друга
4.4 Обтекание конструкции, состоящей из прямоугольных 98
монолитных блоков в виде пирамиды
Заключение 103
Список используемой литературы 108
В последние десятилетия в аквакультуре, промысловой океанологии и инженерной океанологии возрастает практический интерес к установке на морском дне различных подводных конструкций. При правильной установке, конструкции способны в десятки раз увеличивать биопродуктивность района, благоприятно влиять на аккумулятивную способность береговой линии и защищать берег от воздействия волн [1].
Современные математические модели в океанологии (например, модель POM, описанная в [2]) с масштабами от 1 километра и больше достаточно точно описывают различные процессы, протекающие в океанах и морях, дают оценку воздействия водной среды на какие-либо объекты и т.д. Но в настоящее время мало качественных мелкомасштабных (Дт 0.1-1 метр) математических моделей, предназначенных для изучения влияния искусственных донных конструкций на гидродинамический режим вод, и детально описывающих особенности протекающих процессов в районе этих конструкций.
Цель работы - разработка трехмерной негидростатической численной модели вдольбереговых течений, способной выявить особенности формирования гидродинамического режима при установке конструкций различных форм и масштабов на морском дне.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
- обобщить опубликованные данные по истории развития искусственных рифов, а так же найти современную информацию о существующих типах донных конструкций и их назначении;
- по современным статьям произвести оценку биопродукционной роли искусственных рифов;
- осветить методы берегозащиты, основанные на установке искусственных рифовых конструкций на морском дне;
- выявить мировую тенденцию развития современных исследований в области установки искусственных рифов;
- описать особенности численного моделирования гидродинамического режима на примере существующих моделей;
- разработать новую трехмерную негидростатическую численную модель вдольбереговых течений;
- дать четкую формулировку созданной трехмерной гидродинамической модели;
- описать особенности численной реализации созданной модели;
- осуществить верификацию модели;
- описать результаты численных экспериментов.
В диссертации описываются основные типы донных конструкций и их назначение, а так же критерии, которые необходимо учитывать при планировании постановки рифов на дно. В работе охарактеризованы модельные подходы, используемые в известных во всем научном мире моделях гидродинамики моря. Дано описание основных уравнений моделей и характеристика используемых в моделях различных видов параметризаций горизонтальных и вертикальных коэффициентов вязкости. Приводится постановка задачи новой математической модели, описываются численные эксперименты, а так же осуществляется проверка решения на устойчивость и адекватность.
Современные математические модели в океанологии (например, модель POM, описанная в [2]) с масштабами от 1 километра и больше достаточно точно описывают различные процессы, протекающие в океанах и морях, дают оценку воздействия водной среды на какие-либо объекты и т.д. Но в настоящее время мало качественных мелкомасштабных (Дт 0.1-1 метр) математических моделей, предназначенных для изучения влияния искусственных донных конструкций на гидродинамический режим вод, и детально описывающих особенности протекающих процессов в районе этих конструкций.
Цель работы - разработка трехмерной негидростатической численной модели вдольбереговых течений, способной выявить особенности формирования гидродинамического режима при установке конструкций различных форм и масштабов на морском дне.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
- обобщить опубликованные данные по истории развития искусственных рифов, а так же найти современную информацию о существующих типах донных конструкций и их назначении;
- по современным статьям произвести оценку биопродукционной роли искусственных рифов;
- осветить методы берегозащиты, основанные на установке искусственных рифовых конструкций на морском дне;
- выявить мировую тенденцию развития современных исследований в области установки искусственных рифов;
- описать особенности численного моделирования гидродинамического режима на примере существующих моделей;
- разработать новую трехмерную негидростатическую численную модель вдольбереговых течений;
- дать четкую формулировку созданной трехмерной гидродинамической модели;
- описать особенности численной реализации созданной модели;
- осуществить верификацию модели;
- описать результаты численных экспериментов.
В диссертации описываются основные типы донных конструкций и их назначение, а так же критерии, которые необходимо учитывать при планировании постановки рифов на дно. В работе охарактеризованы модельные подходы, используемые в известных во всем научном мире моделях гидродинамики моря. Дано описание основных уравнений моделей и характеристика используемых в моделях различных видов параметризаций горизонтальных и вертикальных коэффициентов вязкости. Приводится постановка задачи новой математической модели, описываются численные эксперименты, а так же осуществляется проверка решения на устойчивость и адекватность.
В первой главе диссертации были описаны основные типы искусственных донных конструкций и их назначение. Опираясь на основные положения, изложенные в первой главе, можно сформировать основное представление о процессе постановки искусственных рифов на морское дно. Описаны важные критерии (от выбора материала конструкции до выполнения сложного численного моделирования гидродинамического режима), на которые стоит обратить внимание на этапе планирования постановки конструкции на морское дно. Сжато изложена информация по современным исследованиям, связанным с постановкой на дно мультифункциональных искусственных рифов, проведенным другими учеными со всего мира. Представленные в первой главе сведения актуальны и соответствуют современному уровню исследований, направленных на изучение большинства проблем, связанных с установкой донных конструкций.
Одним из самых актуальных направлений в изучении гидродинамического режима у донных конструкций является численное моделирование. Во второй главе были охарактеризованы модельные подходы, используемые в известных во всем научном мире моделях гидродинамики моря. Дано описание основных уравнений моделей и характеристика используемых в моделях различных видов параметризаций горизонтальных и вертикальных коэффициентов вязкости. Вторая глава представляет собой краткий «путеводитель», позволяющий получить представление о назначении моделей гидродинамики моря и их математической «начинке».
Автором была разработана и опробована негидростатическая модель гидродинамического режима с учетом особенностей численного моделирования в районе постановки донных конструкций. В третьей главе дается полная формулировка модели. Так, модель основана на трех уравнениях осредненного движения Рейнольдса с использованием полной параметризации Смагоринского. В математическом описании модели указаны уравнения переноса тепла и соли. Однако, на данный момент, программный код функционирует только для уравнений движения и для включения в код уравнений переноса тепла и соли требуется проведение дальнейших разработок. В главе кратко излагается численная реализация и верификация модели. Согласно выполненной верификации, разработанная модель дает устойчивое решение для выбранного шага по времени и по пространству.
Большинство моделей гидродинамики моря гидростатические. Именно это является отличительной чертой разработанной модели, которая представляет собой трехмерную негидростатическую модель, разрешающую уравнения для всех трех компонент скорости осредненного движения Рейнольдса. Используемая в некоторых современных моделях параметризация Смагоринского описывает подсеточную турбулентность для горизонтальных вихрей, в то время как параметризация вертикальных вихрей представлена в более упрощенном виде. В новой модели, представляемой в данной диссертации, используется полная параметризация Смагоринского, разрешающая (до определенного уровня точности) как горизонтальные, так и вертикальные подсеточные вихри...
Одним из самых актуальных направлений в изучении гидродинамического режима у донных конструкций является численное моделирование. Во второй главе были охарактеризованы модельные подходы, используемые в известных во всем научном мире моделях гидродинамики моря. Дано описание основных уравнений моделей и характеристика используемых в моделях различных видов параметризаций горизонтальных и вертикальных коэффициентов вязкости. Вторая глава представляет собой краткий «путеводитель», позволяющий получить представление о назначении моделей гидродинамики моря и их математической «начинке».
Автором была разработана и опробована негидростатическая модель гидродинамического режима с учетом особенностей численного моделирования в районе постановки донных конструкций. В третьей главе дается полная формулировка модели. Так, модель основана на трех уравнениях осредненного движения Рейнольдса с использованием полной параметризации Смагоринского. В математическом описании модели указаны уравнения переноса тепла и соли. Однако, на данный момент, программный код функционирует только для уравнений движения и для включения в код уравнений переноса тепла и соли требуется проведение дальнейших разработок. В главе кратко излагается численная реализация и верификация модели. Согласно выполненной верификации, разработанная модель дает устойчивое решение для выбранного шага по времени и по пространству.
Большинство моделей гидродинамики моря гидростатические. Именно это является отличительной чертой разработанной модели, которая представляет собой трехмерную негидростатическую модель, разрешающую уравнения для всех трех компонент скорости осредненного движения Рейнольдса. Используемая в некоторых современных моделях параметризация Смагоринского описывает подсеточную турбулентность для горизонтальных вихрей, в то время как параметризация вертикальных вихрей представлена в более упрощенном виде. В новой модели, представляемой в данной диссертации, используется полная параметризация Смагоринского, разрешающая (до определенного уровня точности) как горизонтальные, так и вертикальные подсеточные вихри...