Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГЛАВНЫХ РАЗДЕЛОВ



Источники и стоки волновой энергии

Генерация волн ветром

Диссипация: обрушение гребней (образование барашков), трение о дно, обрушение волн на мелководье, наличие в воде растительности, турбулентная вязкость, грязевой донный слой.

Слабонелинейное взаимодействие: квадрупольное волновое взаимодействие, трехволновое взаимодействие, подъем уровня, вызванные волнами

Виды расчетных сеток:

1) структурированные (регулярные)

а) прямоугольные

б) криволинейные

2) неструктурированные (нерегулярные)

а) треугольные

б) четырехугольные

в) пятиугольные

г) и т.д.

Для направления ветра и волн (задается и выдается моделью в градусах) можно использовать как декартовую нотацию, так и навигационную. Все остальные направления в модели используют декартовую систему.

Система координат модели: декартовая либо сферическая

Согласование расчетных сеток и временных окон в SWAN

В SWAN можно использовать различные расчетные сетки для волновых вычисляемых характеристик, а также для ввода и вывода.

1) Если в качестве базовой выбрана равномерная прямоугольная пространственная сетка, тогда сетки для ввода и вывода также обязаны быть равномерными прямоугольными, но могут отличаться друг от друга.

2) Если в качестве базовой выбрана криволинейная квазиортогональная пространственная сетка, тогда все остальные сетки модели должны быть либо аналогичны ей, либо быть равномерными прямоугольными.

3) Если в качестве базовой выбрана неструктурированная пространственная сетка, тогда все остальные сетки модели должны быть либо аналогичны ей, либо быть равномерными прямоугольными.

Для задания временных окон и шагов также необязательна их полная согласованность.

В случае различий, сетка входных данных и временные периоды должны покрывать все расчетную область по пространству и по времени (желательно с запасом).

Кроме того, есть возможность проводить расчеты для вложенных сеток (nesting)

В SWAN существует широкий выбор доступных физических переменных для вывода, а также форм, в которых выводятся результаты (временные ряды, результаты вдоль произвольной кривой, двумерные массивы, таблицы и т.д.)

Возможные опции счета

При составлении задания на расчет модели SWAN пользователь имеет возможность выбрать определенные опции из предлагаемого набора. Ниже перечисляются имеющиеся возможности.

1. Выбор одной из трех акваторий – Финский залив, Невская губа, Ладожское озеро.

Во всех трех случаях источником прогностического ветра является одна и та же метеорологическая модель: HIRLAM либо WRF.

2. Холодный и горячий старт

Этими терминами принято называть разные варианты задания начальных условий. Холодный старт означает расчет прогноза начиная с 00 ч первых прогностических суток. При этом в начальный момент решается стационарная задача приспособления волнового поля к заданному прогностическому ветру. Исходная ситуация характеризуется отсутствием волн. Возникновение и развитие волнения под действием ветра рассчитывается как процесс последовательных итераций вплоть до выполнения заданного критерия сходимости. После установления начального волнового поля к ветру дальнейший расчет выполняется шагами по времени до конца прогностического периода.

При горячем старте счет за начальное состояние принимается прогностическое поле, рассчитанное в предшествующем цикле на конец суток. Программа предусматривает сохранение состояния оперативной памяти компьютера, отвечающего 24 ч, и передачу этой информации в следующий суточный цикл. В оперативной работе целесообразно руководствоваться принципом горячего старта. Прибегать к холодному старту приходится лишь в аварийных ситуациях, когда по какой-либо причине не удается нормально завершить очередной суточный цикл.

3. Продолжительность прогностического периода (24 ч либо 48 ч)

4. Переменный расчетный шаг по времени.

Обычно используется значение шага 5 минут, но его можно увеличить или уменьшить в разумных пределах.

5. Периодичность выдачи прогностических полей в часах

6. Выдача прогностических параметров в заданных географических пунктах.

Координаты таких пунктов задаются в градусах широты и долготы. Число пунктов не ограничивается. Прогностические параметры ветрового волнения в пунктах выдаются в табличном виде.

CARDINAL – это программный комплекс, который позволяет создавать математические модели различных водных объектов и моделировать нестационарные гидродинамические процессы, распространение растворенных и взвешенных загрязняющих веществ, температуру, соленость и транспорт донных наносов.

 

ВВОДИМАЯ ИНФОРМАЦИЯ– это геометрические и батиметрические данные о расчетной области, местоположение открытых границ и граничные условия на них, объемы сбросов загрязняющих веществ, поля ветра и атмосферного давления, характеристики дна и льда, выражения для различных эмпирических коэффициентов, температура воздуха, облачность, влажность, осадки, начальные условия для уровня, скорости, концентраций, температуры и солености воды.

 

ИНФОРМАЦИЯ НА ВЫХОДЕ– это векторные поля скоростей и удельных расходов, изолинии уровней, глубин, скоростей, удельных расходов, температуры воды, солености, 3D вид свободной поверхности, глубин и концентраций, временной ход всех переменных в выбранных точках или областях, спектральные характеристики колебаний свободной поверхности, вертикальное распределение всех переменных на выбранных поперечных сечениях и в выбранных точках и др.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГЛАВНЫХ РАЗДЕЛОВ

Проект:стандартные действия с файлами проектов (создать, открыть, сохранить, сохранить как..).

Область:вводграниц расчетной области и создание расчетной сетки.

2D/3D:Выбор размерности модели. В трехмерном случае выбор числа расчетных слоев, их расположения и модели турбулентности.

Открытые границы:задание участков открытых границ и типов граничных условий на них (задается уровень воды, расходы, условие свободного ухода, условия на водосливе или вертикальная структура скорости).Граничные условия могут быть постоянными или в виде временных рядов.

Глубины:задание глубин (отметок дна) в расчетной области.

Атмосфера:задание полей ветра, атмосферного давления, радиационных характеристик. Выбор модели задания касательного напряжения ветра. Возможен импорт этих полей из различных метеорологических моделей.

Динамика:задание режима расчета уровня и течений (обычный счет, импорт этих полей, стационарный случай – расчет уровня и скорости прекратить, далее считать только поля концентраций).Выбор метода расчета коэффициента горизонтального турбулентного обмена и условия на берегах (скольжение или прилипание).

Примесь+Источники:включение режима расчета распространения примеси, ее типа,выбор метода расчета коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии. Задание источников загрязнения (а также тепла и соли).

Температура: включение режима расчета распространениятемпературы воды, потоков тепла, импорт полей температуры из других моделей.

Соленость: включение режима расчета распространениясолености воды, импорт полей солености из других моделей.

Дно+лед:задание метода расчета коэффициента придонного трения, задание полей шероховатости и других свойств дна. Как вариант: определение отметки поймы и задание для нее своего коэффициента шероховатости. Включение и выбор метода расчета транспорта донных наносов. Импорт полей ледовитости, задание поля шероховатости нижней кромки льда.

Приборы:выбор точек, разрезов и подообластей для фиксации во время счета различных характеристик (временного хода уровня, расходов, скоростей, концентраций, температуры, солености, массы загрязняющего вещества и др.)

Время:задание временного шага расчета, продолжительности счета (вариант – до установления), интервала сохранения результатов.

Сервис:загрузка карты, используемой как подложка в графических окнах, экспорт различных расчетных характеристик в текстовые файлы, использование модели ветрового волнения SWAN и модели качества воды DELWAQ, выбор шрифтов и др.

Результаты:выбор типа рисунка с результатами расчетов (70 видов рисунков: изолинии, временной ход, 3D поверхности, траектории, прогрессивно-векторные диаграммы, спектры колебаний).

Окна:стандартное управление расположением открытых окон.

Счет:запуск программы на счет. Во время счета можно открывать и закрывать окна с результатами счета.

Справка:интерактивная справка по каждому разделу (тот же текст, что и данном руководстве).

Печать:сохранение изображений активного открытого окна в файлах формата bmp.

 

УРАВНЕНИЯ:

 

Исходная система гидродинамических уравнений решается в модели численными конечно-разностными методами. При решении используется переход к криволинейным гранично-зависимым координатам, что позволяет повысить точность решения задач в областях сложной формы и с резкими изменениями рельефа дна. Возможна осушка и заливание ячеек расчетной сетки.

В трехмерной постановке решаются в приближении гидростатики следующие уравнения для скорости течения (u,v,w), уровня воды (z), температуры T (оК), солености воды (S), концентраций примесей (с) и нефтепродуктов (сН):

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

где

g - ускорение свободного падения,

ρ(T, S) - плотность воды, определяемая по ее температуре T и солености S по зависимости UNESCO,

ρo– среднее значение плотности воды,

Pa - атмосферное давление,

- параметр Кориолиса,

- географическая широта,

w - угловая скорость вращения Земли,

К – коэффициент горизонтального турбулентного обмена,

nT - коэффициент вертикального турбулентного обмена,

U и V– удельные расходы:

h - невозмущенная глубина воды,

w0 - скорость осаждения (гидравлическая крупность) или всплывания взвешенных примесей,

l - коэффициент неконсервативности примеси,

Кс – коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии,

- коэффициент вертикальной турбулентной диффузии,

ws – расход сбросной воды из источников на единицу объема,

vs – расход сбросной воды из источников на единицу площади поверхности,

сs - концентрация примеси в сбросной воде источников,

Ts - температура сбросной воды источников,

Ss - соленость сбросной воды источников,

сHs - концентрация нефтепродуктов в сбросной воде источников,

uw, vw - компоненты скорости дополнительного ветрового дрейфа нефтепродуктов в поверхностном слое,

сp- удельная теплоемкость воды, которая задавалась равной 3990 Дж/(кгК);

SW- падающая на подстилающую поверхность коротковолновая солнечная радиация,

aw - альбедо воды.

Координата z направлена вертикально вверх.

ПРИДОННОЕ ТРЕНИЕ И КАСАТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ВЕТРА

На дне при z=-h(x,y) задается касательное напряжение трения с помощью квадратичного закона

(9)

где - коэффициент придонного трения.

Коэффициент придонного трения может быть определен по формуле Маннинга:

, (10)

где коэффициент шероховатости n определяется по справочным данным или эмпирически.

На поверхности касательное напряжение трения также задается с помощью квадратичного закона

(11)

где CD - коэффициент ветрового трения,

-скорость ветра на высоте 10 м,

ra – плотность воздуха (1.225 кг/м3).

Для определения CD по умолчанию используется формула Банке и Смита:

. (12)

Касательное напряжение на поверхности может быть также определено из теории взаимодействия ветра и волн. Необходимые параметры ветровых волн могут быть рассчитаны по упрощенным эмпирическим зависимостям или экспортированы из модели ветрового волнения SWAN.

Поля ветра и атмосферного давления могут импортироваться в различных форматах, в том числе в формате GRIB из метеорологических моделей HIRLAM, FORCE, COSMO, MM5, WRF.

В программе имеется метод расчета взмучивания осевших взвешенных наносов.

При импорте границ ледового поля (припая) учитывается прекращение действия ветра над участками, покрытыми припайным (не дрейфующим) льдом и появление дополнительного поверхностного слоя трения.

ГРАНИЦЫ

На участках твердой границы нормальная к границе компонента скорости равна нулю, а тангенциальная может быть задана нулевой или определяется из закона, аналогичного закону придонного трения:

(13)

На открытых боковых границах модели задаются нормальная компонента скорости, температура, соленость и концентрации как функции времени и вертикальной координаты:

un, T, S, c, cH = fi (t,z).

На дне и на поверхности для примеси ставится условие

(14)

**

Для открытых границ со свободным уходом (F) используется так называемое условие излучения

.

Через открытые границы такого типа свободные длинные волны могут выходить из расчетной области. Открытые границы со свободным уходом могут использоваться, например, при расчетах распространения цунами. Выражение для свободного ухода является точным только для одномерных линейных волн, а при двумерном подходе оно является приближенным.

 

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

Для определения коэффициентов вертикального турбулентного обмена nT и вертикальной турбулентной диффузии nс возможно, наряду с моделью Прандтля-Монтгомери, использование k-eмодели турбулентности, в которой они определяются из соотношений

(15)

где

k - кинетическая энергия турбулентных пульсаций,

e - скорость диссипации этой энергии за счет внутреннего трения,

cm = 0.09,

Pr=0.96 – число Прандтля.

В ПК CARDINAL уравнения для k и e решаются без учета адвективных членов, которые имеют второй порядок малости

(16) (17)

(18)

c1e=1.44,c2e=1.92,se=1.3.

Для коэффициента c3e при численных экспериментах были подобраны значения, обеспечивающие всплывание вод пониженной плотности и погружение вод с повышенной плотностью: c3e= 0.001 при устойчивой стратификации и c3e= 2 при неустойчивой.

Для энергии турбулентности и ее диссипации задаются следующие граничные условия на дне (b) и на поверхности (s)

(19)

где

- скорость трения,

k =0.4 – постоянная Кармана,

zb и zs – параметры шероховатости дна и поверхности, соответственно.

Коэффициенты горизонтального турбулентного обмена и диффузии можно определять по формуле Смагоринского

(20)

или по закону «4/3»:

, (21)

где DS – площадь расчетной ячейки, g1, g2- параметры, определяемые эмпирически.

Турбулентные потоки примеси и солености через твердые боковые границы, дно и поверхность расчетной области считаются нулевыми:

. (22)

НЕФТЕПРОДУКТЫ

В спокойной воде нефть распространяется в основном в виде поверхностной пленки, толщина которой h много меньше толщины верхнего слоя расчетной сетки Dz1. В программе под концентрацией нефти в верхнем слое понимается значение где - плотность нефти.

Для нефтепродуктов на поверхности рассчитываются потери за счет испарения:

, (23)

где согласно kW = 0.002W0.78 (м/с), M – молярная масса (кг/моль), pндавление паровнефти (Па), R = 8.314 Дж/(моль. оК) – универсальная газовая постоянная, T – температура нефти (оК), которая принимается равной температуре воды. Давление паров может быть задано как функция температуры. Скорость всплытия w0 на поверхности считается нулевой.

При наличии обрушивающихся волн нефть диспергирует в толщу воды. Долю нефти, перешедшей в диспергированное состояние, а также испарившейся можно определить с помощью программы ADIOS2

ПОТОК ТЕПЛА

Для температуры ставятся аналогичные условия, но на поверхности задается граничное условие для потока тепла Qaw, который определяется суммарной длинноволновой радиацией и турбулентными потоками явного и скрытого тепла

(24)

Метод расчета Qaw и потока проникающей коротковолновой солнечной радиации в уравнении (5) приведен ниже.

Поглощение коротковолновой солнечной радиации определяется экспоненциальным законом Буге с коэффициентом экстинкции a. При условии поглощения всей коротковолновой солнечной радиации водой получаем

(25)

где H=h+z - толщина слоя воды.

Коэффициент экстинкции a зависит от средней по глубине концентрации взвешенных веществ

(26)

где СВВ задается в мг/л.

Расчет падающей коротковолновой солнечной радиация SW может быть выполнен по формуле

, (27)

где S0 = 1353 Вт м-2 –солнечная постоянная,

z* - зенитный угол, определяемый как

, (28)

d= 23.44×p/180×cos((172-DAY)×p/180)- склонение,

DAY - день с начала года,

НА=(12-ST)p/12 - часовой угол,

- половина светлого времени дня (в часах),

kSWкоэффициент ослабления коротковолновой солнечной радиации за счет облачности, который рассчитывается по формуле:

(29)

где

,

,

e10 - парциальное давление водяного пара (Па) на высоте 10 м,

n - балл общей облачности.

Поток тепла Qaw на поверхности определяется из уравнения бюджета тепла поверхности как

(30)

где

LW– суммарная длинноволновая радиация,

НТ и LE – турбулентные потоки явного и скрытого тепла.

Суммарная длинноволновая радиация рассчитывается по следующей эмпирической формуле:

(31)

где Та и Ts- температура (оК) соответственно воздуха в приводном слое атмосферы и подстилающей поверхности,

e = 0.97 - коэффициент излучения льда, снега или воды,

σ = 5.67*10-8 Вт.м-2.К-4 – постоянная Стефана-Больцмана,

- коэффициент ослабления длинноволновой радиации в атмосфере.

Турбулентные потоки явного и скрытого тепла определяются формулами

H=rаcрCDW(Ta-Ts), (32)

LE=raLCDW(qa-qs), (33)

где

Ts - температура воды на поверхности,

L = 2.501·106 Дж/кг – теплота парообразования для открытой воды.

Удельная влажность воздуха q на высоте 10 м над подстилающей поверхностью qa, и на самой поверхности, qs , рассчитываются по формулам:

(34)

где

р - атмосферное давление на уровне моря, принимаемое равным 1013·102 Па,

J = 0.622,

- относительная влажность воздуха,

e - парциальное давление водяного пара (Па), определяемое как:

(35)

где температура T=(Ta, Ts) должна быть выражена в K, а коэффициенты a и b равны соответственно 7.5 и 35.86.

Таким образом, поток тепла Qaw рассчитывается по формулам (24) - (35), если известны балл облачности, температура и относительная влажность воздуха в приземном слое атмосферы, модуль скорости приземного ветра, а также температура воды на поверхности.

При расчетах температуры воды необходимо задать широту и дату.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.