潮流物理模型試驗生潮控制時的復(fù)合模擬數(shù)據(jù)對接＊

劉學(xué)海，紀(jì)育強，張 強，王玉海，袁業(yè)立

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

潮流物理模型試驗生潮控制時的復(fù)合模擬數(shù)據(jù)對接＊

劉學(xué)海1，2，紀(jì)育強1，張 強3，王玉海3，袁業(yè)立1，2

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

根據(jù)幾種不同情形探討復(fù)合模擬中如何通過數(shù)值模擬為潮流物模試驗提供開邊界控制條件。對單邊界物理模型，可由數(shù)模的調(diào)和常數(shù)得到物模邊界控制所需的時間序列數(shù)據(jù)，實現(xiàn)單分潮、多分潮及大、中、小潮的模擬；對于歷時較長的試驗，可由數(shù)模得到長時間序列或周期性序列數(shù)據(jù)作為生潮的控制信號；對多邊界模型，沿邊界分為若干控制斷面，由數(shù)模給出各斷面的流量變化，對各斷面分別進行流量控制；差時的復(fù)合模擬可使物理模型和數(shù)值模型互相提供邊界條件或模型參數(shù)修正。

物模試驗；潮流；數(shù)值模擬；復(fù)合模擬

隨著計算技術(shù)的發(fā)展，相比物理模型試驗，數(shù)值模擬在海洋研究和海洋工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。盡管如此，物模試驗仍然是不可或缺甚至有時是不可替代的研究手段。如，目前常見的海洋動力模式難以實現(xiàn)小尺度局部海域的模擬［1］，工程引起的局部泥沙沖淤數(shù)值模擬也存在著諸多的困難［2－3］，而這些問題可通過物理模型給以更好的解決。另外，由于物理模型不能刻畫出地轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此難以對較大海域進行模擬［4］。

復(fù)合模型將數(shù)模和物模的優(yōu)點結(jié)合起來，拓寬了模型的研究范圍［5］。復(fù)合模型有耦合運轉(zhuǎn)型和綜合模擬型。耦合運轉(zhuǎn)型是通過數(shù)模和物模之間的數(shù)據(jù)對接實現(xiàn)對系統(tǒng)的模擬，要求兩模型準(zhǔn)同步運轉(zhuǎn)。綜合模擬型則綜合數(shù)模和物模，兩模型不必同步運轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)對接要求不苛刻，結(jié)合方式靈活，如大范圍內(nèi)用數(shù)模而局部采用物模。綜合模擬型是最常見的復(fù)合模擬類型，典型的情況是，對整體海域水動力的模擬采用數(shù)值模擬更佳，而對局部海域特別是較小的區(qū)域如泥沙沖淤試驗、溫排水試驗等［6］經(jīng)常需要進行物理模型試驗。

物模試驗的水動力過程是開邊界處設(shè)備驅(qū)動水體產(chǎn)生的，因此其仿真性很大程度上依賴于對開邊界水動力條件的控制。本文將根據(jù)物理模型試驗的若干情形，探討復(fù)合模擬（特別是多邊界復(fù)雜流況下）的數(shù)?！锬５臄?shù)據(jù)對接問題，即如何通過數(shù)值模擬為物模試驗合理地提供邊界控制條件。

1 物模試驗的生潮控制系統(tǒng)簡介

潮流物理模型試驗時，生潮設(shè)備如尾門、雙向泵等是受生潮控制計算機與控制器一起控制運轉(zhuǎn)的，而控制信號需要外部數(shù)據(jù)給出，這些數(shù)據(jù)是流量或水位變化過程并按照一定的模型縮尺比（幾何縮尺、時間縮尺、流速或流量縮尺）處理后輸送給生潮控制計算機的。對復(fù)合模擬，數(shù)學(xué)模型和物理模型之間的數(shù)據(jù)交換即為復(fù)合模擬的數(shù)據(jù)對接［7］。圖1為潮流物模試驗的控制示意圖，由生潮控制流程可見，合理的數(shù)?！锬?shù)據(jù)對接是良好實現(xiàn)物模試驗的一個前提工作。以下對主要的數(shù)據(jù)對接方式進行探討。

2 生潮控制的復(fù)合模擬數(shù)據(jù)對接方式

2.1 調(diào)和控制數(shù)據(jù)對接

1）單個分潮模擬時的數(shù)據(jù)對接。僅需由數(shù)模計算的在開邊界處該分潮的調(diào)和常數(shù)（振幅、周期、初位相）給出水位或流速過程的時序數(shù)據(jù)，經(jīng)縮尺后傳遞給生潮控制設(shè)備。該情形下的水位或流速過程線為余弦過程。

如模擬域為單邊界且邊界處水動力分布較均勻，可僅由一個點的調(diào)和過程來控制；否則，需根據(jù)數(shù)模得到的水位或流速沿斷面的分布，將邊界劃分為若干段，對每段分別實施控制。

現(xiàn)以模擬整個膠州灣主要分潮M2為例。考慮膠州灣狹窄口門處基本為往復(fù)流，沿灣口南北的水位變化基本相同，物模試驗可選取水位過程控制。取模型的垂直縮尺比為70，水流時間比尺為83.67。由在更大的海域通過數(shù)值模擬計算出M2分潮的調(diào)和常數(shù)，從而得到灣口的水位變化過程，然后通過模型縮尺給出圖2示的用以控制生潮尾門的水位時間序列信號（以平均水位為零水面），信號長度依據(jù)模擬的歷經(jīng)時間確定。要模擬膠州灣M2分潮的潮汐潮流過程，僅由圖2示的這一個數(shù)據(jù)信號控制即可。

2）模擬潮況為大、中、小潮時的數(shù)據(jù)對接。該情況經(jīng)常用于工程研究中。大域范圍的數(shù)模結(jié)果給出潮汐調(diào)和常數(shù)，由式（1）～（3）分別得到開邊界處大、中、小潮的水位變化過程。

式中，HM2、HS2分別為分潮M2、S2的水位調(diào)和振幅；σM2為M2分潮角速度；gM2為M2分潮遲角；t為時間。將由式（1）～（3）得到的時間序列數(shù)據(jù)按物理模型的幾何比尺及時間比尺變換為生潮控制數(shù)據(jù)輸入給生潮系統(tǒng)，該情況下水位變化曲線仍為余弦過程。此外，也可將開邊界劃分為若干段，對每段分別控制。

3）多分潮模擬時的數(shù)據(jù)對接。該情況基本反映了研究海域的真實潮況。根據(jù)在更大海域范圍內(nèi)的數(shù)值模擬結(jié)果給出開邊界處的水位調(diào)和常數(shù)，由式（4）得到開邊界處的潮汐過程。

式中，Hi為第i個分潮的振幅；gi為遲角；fi為交點因子；（V0＋u）i為初相角。將按式（4）得到的時間序列按幾何比尺及時間比尺變換為生潮控制數(shù)據(jù)送給物模生潮系統(tǒng)。根據(jù)需要，物模的開邊界也可分為若干斷面，對每段分別進行控制。

現(xiàn)以整個膠州灣的潮汐模擬為例，物理模型仍選取水位過程控制，垂直比尺和水流時間比尺仍為70和83.67。對大域的數(shù)模結(jié)果調(diào)和分析并按式（4）得到如圖3示灣口一段時間的水位過程曲線（由M2，S2，K1，O1，N2，K2，M4，P1等分潮組成），將該過程線的水位數(shù)據(jù)及歷時按縮尺比轉(zhuǎn)換為用以控制生潮尾門的水位時間序列信號，信號長度依據(jù)要模擬的時間跨度確定。

2.2 周期性及長時間序列數(shù)據(jù)對接

對于歷經(jīng)時間較長的試驗，如連續(xù)模擬幾月甚至幾年的潮汐潮流過程，分兩種情形討論。

1）對于周期性變化過程的模擬，控制器只需重復(fù)一個周期的水位或流速流量數(shù)據(jù)序列。仍以膠州灣整體物理模型為例，如圖4示，由數(shù)值模擬給出了物理模型灣口開邊界處包含一個完整大、中、小潮的半月內(nèi)水位變化過程，該過程的數(shù)據(jù)序列經(jīng)縮尺后，作為一個周期性信號輸入給物模試驗的生潮控制計算機。

2）若模擬的潮過程不具有周期性變化規(guī)律，控制數(shù)據(jù)則需要根據(jù)物模的歷時通過數(shù)值模擬給出一個長時間數(shù)據(jù)序列。以膠州灣整體物理模型為例，假如模型要刻畫出不同月份的差異，如圖5示，由大域的數(shù)值模型給出了膠州灣口門處2008－03－01—06中旬的水位變化過程，對該過程的時間序列進行模型縮尺后輸入給生潮控制計算機，作為該時間段的物模試驗控制信號。

2.3 多邊界的時間序列數(shù)據(jù)對接

重點討論多邊界模型的數(shù)據(jù)對接。物理模型通常對較小尺度的局部海域進行模擬，而該情況下最常見的情形是模型具有多個開邊界，因此相對單邊界其控制條件較為復(fù)雜。多邊界模型的模擬一般多采用流速控制和流速、水位結(jié)合控制兩種生潮方式，根據(jù)數(shù)模結(jié)果將開邊界劃分為若干個控制段，對每段給出同一時間的水位或流速流量過程。一般是由生潮泵按需要流量供水產(chǎn)生模型水流，因此試驗中，流速控制即是流量控制，需要給出斷面的瞬時流量。

以膠州灣內(nèi)的局部海域為例，圖6給出數(shù)模和物模的模型區(qū)域。為物模試驗提供接口的數(shù)值模型涵蓋整個膠州灣，模型采用曲線正交網(wǎng)格，在物模區(qū)進行網(wǎng)格加密，計算采用Delft3D模式。物理模型為灣東部約9.5km×6.5km的海域，為三開邊界潮汐模型，開邊界劃分為10個斷面通道（S1～S10）模擬潮流的進出，試驗采用控制三邊開邊界中各分段的流量過程并同步監(jiān)視水位的開環(huán)控制模式。依據(jù)潮流運動的相似理論［8］，確定模型的水平比尺為λl＝300，垂直比尺為λh＝100，流速比尺λu＝10，水流時間比尺λt＝30，流量比尺λQ＝3.0×105。通過數(shù)值模擬給出10個斷面的流量過程（圖7示例給出其中3個斷面S2、S6和S9半個月內(nèi)的流量時間過程），并按照以上的相似比尺轉(zhuǎn)化為物理模型的流量后作為各分段的過程控制數(shù)據(jù)，通過控制各通道不同流量水泵個數(shù)變化實現(xiàn)進出水量改變（使用106臺雙向潛水泵），形成模擬水域的潮汐流動，同時自動監(jiān)視水位實時過程，使潮汐的水位與給定潮位相符，以完成潮位模擬。圖8給出了轉(zhuǎn)化為原型后的物理模型試驗結(jié)果，通過對監(jiān)測點潮位（ζ）、流速（u）和流向（θ）的模擬與海上現(xiàn)場觀測結(jié)果對比可見，該復(fù)合模型較好地實現(xiàn)了對研究海域的準(zhǔn)真模擬。

2.4 適時控制的數(shù)據(jù)對接

適時控制是將數(shù)模在物模開邊界處的結(jié)果適時地傳遞給生潮控制系統(tǒng)。該情況類似于數(shù)值模擬的多域嵌套模型（可同步并行計算也可差時單獨計算），數(shù)值模擬和物理模型試驗可同時或差時進行。

兩不同類型的模型同時實施模擬，數(shù)值模擬進行完一個步長后將結(jié)果輸入給物理模型，而物模完成一個時間步后反過來又為數(shù)模提供局部的水動力控制條件或參數(shù)，該情況基本同于耦合運轉(zhuǎn)型，在海域的模擬中很少使用［7，9］。

差時的復(fù)合模擬不要求物理模型和數(shù)值模擬同步進行，而是數(shù)值模擬先于物模進行，數(shù)值計算后將開邊界處的結(jié)果可分時間段儲存，并先后提供給物模試驗，主要用于河道模型中，如淮河入海水道模型［9］。物模試驗結(jié)果也可作為參數(shù)反饋給數(shù)值模擬，例如，采用物理模型進行動床試驗時，模擬到泥沙沖淤改變了數(shù)值模型和物理模型中的原始地形配置，打破了原有的動態(tài)平衡，這樣需要物理模型結(jié)果反饋給數(shù)值模擬以進行配置上（地形、泥沙特性、底摩擦系數(shù)等）的修正，而后數(shù)值模擬又進一步地為物理模型提供新的控制信號。該復(fù)合模擬方式能同時提高物理模型和數(shù)值模型的仿真程度。對該方法的研究已有近30多年的歷史［5］，但國內(nèi)外的應(yīng)用實例仍較少，而且主要體現(xiàn)在河道及河口模型中，如哥倫比亞河口模型，先由數(shù)模給出潮流、波浪要素，然后運轉(zhuǎn)物理模型給出泥沙運動及河床演變，再進一步代入數(shù)值模擬系統(tǒng)計算潮流特性［5］；國內(nèi)如溪洛渡水電樞紐工程上下游河道模型［10］。目前，國內(nèi)在潮流復(fù)合模型方面，還欠缺物模試驗結(jié)果為數(shù)模提供模型邊界或參數(shù)條件的研究和應(yīng)用實例，今后應(yīng)在工程應(yīng)用和海洋研究中加強這方面的研究。

3 結(jié) 語

本文對數(shù)值模型—物理模型的復(fù)合模擬數(shù)據(jù)對接分不同情況進行了分析，探討了數(shù)值模擬如何為潮流物模試驗提供開邊界控制條件。

對于邊界條件相對簡單的模型特別是整體模型，可由數(shù)值模擬所得的調(diào)和常數(shù)并轉(zhuǎn)化為時間序列數(shù)據(jù)提供給物模試驗，實現(xiàn)諸如單分潮、多分潮及大、中、小潮的良好模擬。

對于歷時較長的潮流物模試驗，可由數(shù)值模擬的長時間序列或周期性序列數(shù)據(jù)作為生潮的控制信號。

對于具有多個開邊界的物理模型，一般開邊界處流場分布不均勻，需要對開邊界劃分較多的控制斷面，由數(shù)值模擬給出每個斷面的瞬時流量變化過程，對各個斷面進行流量控制。

適時控制主要分析差時的復(fù)合模擬，它適用于物理模型和數(shù)值模型互相提供邊界條件或進行模型參數(shù)修正。

以上探討有助于把握數(shù)值模擬和物理模型試驗的結(jié)合方式，特別是對如何合理有效地實現(xiàn)數(shù)值模擬為物模服務(wù)并良好地實現(xiàn)物模試驗有一定的實際參考意義。

（References）：

［1］XU X.Study on some issues relating xiamen bay physical model building of tidal current in xiamen harbour park project［J］.Journal of Oceanography in Taiwan Strait，2005，24（4）：455－462.徐嘯.廈門海港公園工程廈門灣潮汐水流物理模型館有關(guān)問題研究［J］.臺灣海峽，2005，24（4）：455－462.

［2］WAN Y Y，JIN Z W，HUANG R Y.Outlook and prospect on sedimentation model study［J］.South－to－North Water Transfers and Water Science ＆ Technology，2006，4（1）：48－52.萬遠(yuǎn)揚，金中武，黃仁勇.泥沙模型研究綜述與前景展望［J］.南水北調(diào)與水利科技，2006，4（1）：48－52.

［3］LI M G.A review on mathematical models of sediment in coastal and estuarine waters［J］.The Ocean Engineering，2006，24（1）：139－154.李孟國.海岸河口泥沙數(shù)學(xué)模型研究進展［J］.海洋工程，2006，24（1）：139－154.

［4］LIU X H，YUAN Y L.Scalar analysis and similarity conditions of marine environment physical simulation［J］.Advances in Marine Science，2006，24（3）：285－291.劉學(xué)海，袁業(yè)立.海洋環(huán)境動力學(xué)物理模擬的尺度分析及相似條件［J］.海洋科學(xué)進展，2006，24（3）：285－291.

［5］CAO Z D，LI Y B.The developing trend of numerical modeling of hyrodynamics［J］.Acta Oceanologica Sinica，1995，17（4）：142－148.曹祖德，李炎保.水動力數(shù)值模擬的發(fā)展方向［J］.海洋學(xué)報，1995，17（4）：142－148.

［6］GU Z H，TANG H W，LI Y，et al.Discussion on problems of intelligentizing flow simulation［J］.Advances in Water Science，2004，15（1）：129－133.顧正華，唐洪武，李云，等.水流模擬智能化問題的探討［J］.水科學(xué)進展，2004，15（1）：129－133.

［7］SU H L，ZHANG D S，XU J H，et al.Interface technology of hydraulic hydrid model［J］.The Ocean Engineering，2002，20（4）：89－92.蘇杭麗，張東生，徐金環(huán)，等.水工復(fù)合模型的接口技術(shù)［J］.海洋工程，2002，20（4）：89－92.

［8］JTJ／T 233—98Technical regulation of modeling for tide－current and sediment on coastal and estuary［S］.Beijing：China Communications Press，1999.JTJ／T 233—98海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，1999.

［9］SU H L，ZHANG D S.Realization of a real time coupling hydraulic hybrid model－taking Huaihe River Channel as an example［J］.Journal of Hohai Univeristy：Natural Sciences，2002，30（6）：95－98.蘇杭麗，張東生.水工實時耦合復(fù)合模型的實現(xiàn)—以淮河入海水道模型為例［J］.河海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，30（6）：95－98.

［10］LI T X，LIAO H S，YANG Y Q.Application of hybrid model to simulate flow field in river with complicated geometrics plunged by multiple jets［J］.Journal of Hydraulic，2006，37（4）：471－479.李天翔，廖華勝，楊永全.物理－數(shù)值復(fù)合模型在模擬多股水舌進入復(fù)雜河道的流場中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報，2006，37（4）：471－479.

Data Interface of Hybrid Model for Tide－generation Controlling During Physical Simulation of Tidal Current

LIU Xue－h(huán)ai1，2，JI Yu－qiang1，ZHANG Qiang3，WANG Yu－h(huán)ai3，YUAN Ye－li1，2
（1.First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China；2.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling，SOA，Qingdao 266061，China；3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

According to the following cases in hybrid model，this paper examines how to provide open boundary controlling conditions for physical simulation of tidal process by means of numerical simulation.Firstly，for the physical models with only one boundary，harmonic constants obtained from numerical simulation are used to derive time－series data as boundary signals for experiment controlling，and physical simulation will be achieved for a single tidal constituent or several ones，and for the spring，moderate or neap tides.Secondly，for a case of a long－period experiment，a numerically modeled data sequence in longtime or in recycle can be set as an interface input for the tide－make controlling.Thirdly，for the physical model with several open boundaries，more sections are usually defined for boundary controlling by giving water fluxes along the sections from numerical modeling.As a last case，the hybrid model with a time－gap between numerical and physical simulation executions are used to provide boundary conditions or revise model parameters each other.

physical simulation；tidal current；similarity theory；hybrid model

April 28，2010

P731.2

A

1671－6647（2012）01－0001－08

2010－04－28

國家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目——較大海域潮流物模試驗的理論可行性及復(fù)合模擬技術(shù)研究（2007G24）；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目——膠州灣海灣水動力物理模擬實驗研究（200705012），海洋監(jiān)測設(shè)備動力環(huán)境實驗水槽關(guān)鍵技術(shù)研究：浪、流、風(fēng)等現(xiàn)場動力環(huán)境研究（201005027－5）

劉學(xué)海（1973－），男，山東東明人，助理研究員，博士，主要從事海洋環(huán)境及生態(tài)動力學(xué)模型方面研究.E－mail：liuxh＠fio.org.cn

（杜素蘭 編輯）