1.功能介绍

中尺度海洋环境虚拟试验系统是中国数值水池系统中的一个子系统，主要用于海洋波浪环境的数值计算（网页）具备模拟规则波、聚焦波以及随机波三种不同波浪的能力。可计算不同波浪条件下的波高、周期和流速等重要流场信息。在仿真参数设置中用户需要对初始条件，计算域，波浪类型，测点信息和边界条件进行设置。在求解设置中用户需要对运行时间，输出文件，统计参数进行设置。在完成上述设置后，用户可以选择对当前方案进行求解生成海洋环境数据。通过后处理的二维绘图和三维绘图功能，用户可以直观的观看海洋环境场景和相应输出数据的二维曲线。

2.产品特色

中尺度海洋环境虚拟系统作为其中的一个智能求解器，用户可以通过中尺度海洋环境虚拟试验系统创建虚拟试验，在试验中用户需要完成仿真参数设置、求解设置。求解器根据用户设定的参数进行计算，并自动绘制基本的图像，同时向用户提供原始的数据结果。本系统结合了国际先进的计算方法，具备以下特点：

    (1) 基于三维NS方程开发的波浪数值模型，不仅可以用来模拟常规波浪，也可以用来模拟畸形波等这类对船舶和海洋平台有极大危害的强非线性波浪。

    (2) 能够快速、准确且长时间地模拟十公里级范围的波浪传播演化过程。为船舶及海洋平台的设计提供参考依据。

3.运行环境和效率

通过互联网访问，支持IE\Chrome\Firefox等主流浏览器的Win\Linux版本，后台计算运行在中科曙光计算集群上。计算支持多CPU分布式并行计算，经过测试，在512CPU物理核心系统上的并行效率超过50%。

4.试验精度

本产品与国际知名软件以及物理标准模型试验数据进行了对比分析。结果表明本产品能够很好的捕捉强非线性波浪，具有很强的色散性和非线性。同时，在三维波浪的模拟中，也具有较高的精度，能够模拟多角度、多种波浪叠加的复杂波况。本产品具有较强的鲁棒性，适用范围广，在各种工况下的试验精度处于国际前列。

案例一 二维规则波试验

  1.1 案例名称

二维规则波试验

  1.2 案例描述

本案例计算域长24.0m，水深0.7m，入射波高为0.11m，周期为1.9s。总模拟时长为50.0s，网格总数为9600。二维规则波是波浪类型中最为简单的一种，也是在模型试验和数值试验中应用最为广泛的，二维规则波模拟的准确程度是其它波浪试验的基础。

  1.3 性能比对

将本试验结果同国际先进软件REEF3D、STAR-CCM+进行对比验证。STAR-CCM+是CD-adapco公司采用最先进的连续介质力学数值技术开发的新一代CFD求解器。它搭载了CD-adapco独创的最新网格生成技术，可以完成复杂形状数据输入、表面准备、表面网格重构、自动体网格生成（包括多面体网格、六面体核心网格、十二面体核心网格、四面体网格）等生成网格所需的一系列作业。STAR-CCM+使用CD-adapco倡导的多面体网格，相比于原来的四面体网格，在保持相同计算精度的情况下，可实现计算性能约3~10倍的提高。STAR-CCM+有强大的网格能力，从面网格到体网格的变化，使物理模型更好地被离散化。并且有先进的物理模型，包括层流、湍流、多相流、高马赫流等模型。REEF3D是挪威科技大学(NTNU) Hans Bihs课题组开发的一套开源计算流体力学代码，可用于模拟多种海洋工程领域的相关问题，如泥沙输运、浮体运动、海洋结构物波浪力计算、海底管线冲刷以及波浪破碎等。本文的对比验证算例采用REEF3D中的CFD模块（REEF3D中其他三个模块分别为: REEF3D::NSEWAVE模块求解非静压Navier-Stokes方程，REEF3D::SFLOW模块求解浅水方程，REEF3D::FNPF模块为势流求解器），控制方程中时间项离散采用三阶TVD Runge-Kutta格式，对流项离散采用五阶 WENO格式，界面捕捉方法为Level Set方法。计算精度对比如图1所示，计算效率可见表1。

表1 二维规则波计算效率对比

	FNHOWS	REEF3D	STAR-CCM+
运行时长	0.06 h	0.23 h	3.22 h
运行线程数	1	40	12
运行环境	CPU：Intel Xeon E5-2673 v4 @ 2.3GHz	CPU：Intel Xeon Gold 6138ES*2颗（40核80线程1.8G睿频3.2G )	CPU：Intel core i7-8700 3.2GHz

  1.4 工业应用

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司应用数值水池中尺度海洋环境流场系统开展了此试验以及其它工况下的二维规则波测试，反应测试结果良好。

  1.5 案例视频

案例二 二维随机波试验

  1.1 案例名称

二维随机波试验

  1.2 案例描述

真实海洋中出现的波浪都是随机波浪，本试验模拟的是一般防波堤等水工断面设计中常见的二维随机波。有效波高0.042m，谱峰周期1.0s，谱峰升高因子1.0。数值计算域长50.0m，网格总数为75000，总模拟时长163.84s。

  1.3 性能比对

本试验结果同国际先进软件REEF3D、STAR-CCM+进行对比验证，相应软件的计算方法可参见案例一中的说明介绍。

表2 二维随机波计算效率对比

	FNHOWS	REEF3D	STAR-CCM+
运行时长	2.97/3.52h	58.15/58.38h	该模型无法模拟等波陡谱聚焦波
运行线程数	5/8	40
运行环境	CPU：Intel Xeon E5-2673 v4 @ 2.3GHz	CPU：Intel Xeon Gold 6138ES*2颗（40核80线程1.8G睿频3.2G )

  1.4 工业应用

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司应用数值水池中尺度海洋环境流场系统开展了此试验，结果显示与开发人员计算的结果一致，与实验结果吻合良好。

案例二 二维聚焦波

  1.1 案例名称

二维聚焦波

  1.2 案例描述

聚焦波是专门设计的一种用于模拟在真实海洋环境中观测到的极端大波的波浪类型，通过让不同频率的组成波在某一时刻聚焦于同一位置，从而获得远大于平均值的波面升高。相应的参数可参考表3

表3 二维聚焦波计算参数

	FNHOWS	REEF3D	STAR-CCM+
计算域	0.0m≤x≤20.0m，0.0m≤y≤0.05m			该模型无法模拟等波陡谱聚焦波
水平网格	400	2000
垂向网格	10/20/20	50
总模拟时长	23.0s	30.0s

  1.3 性能比对

试验结果同国际先进软件REEF3D、STAR-CCM+进行对比验证，相应软件的计算方法可参见案例一中的说明介绍。

表4 二维聚焦波计算参数计算效率对比

	FNHOWS	REEF3D	STAR-CCM+
运行时长	0.12/0.13/0.1h	2.13/2.37/2.42h	该模型无法模拟等波陡谱聚焦波
运行线程数	1/2/2	12
运行环境	CPU：Intel Xeon E5-2673 v4 @ 2.3GHz	CPU：Intel Xeon Gold 6138ES*2颗（40核80线程1.8G睿频3.2G )

可以看出，本产品的计算精度与国际知名软件基本保持在同一水准，同时在局部细节上本产品表现的更为优秀。而在计算效率的对比上，本产品与REEF3D相比也具备优势。

  1.4 工业应用

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司应用数值水池中尺度海洋环境流场系统开展了此试验，结果显示与开发人员计算的结果一致，与实验结果吻合良好。图3给出了聚焦位置的波面历时曲线，其中数值结果为华东院采用本产品计算得到的，可看见用户自行计算结果与实验结果一致。

用户登录中国数值水池虚拟试验系统后，可完成系统提供的各类虚拟试验。虽然试验在参数、求解器、计算结果等方面区别很大，但总体上来说操作过程基本相同，主要由四个部分组成：1试验创建；2参数录入（前处理）；3计算求解；4结果展示（后处理）。下面以“中尺度海洋环境”为例进行详细介绍。

登录系统后，点击页面左侧导航栏中的“中尺度海洋环境”，从而进入该试验的管理页面。如下图所示，该页面有关于中尺度海洋环境报的主要功能介绍，以及该虚拟试验的相关特色，其下为“我的试验”。

“我的试验”中给出用户做过的试验列表，该列表以时间顺序排序，可以在看到用户做的每一个虚拟试验的概要信息，如试验名称、编号、描述、创建时间、修改时间等内容，用户可在这里对试验进行创建核删除操作。

页面的右侧是中尺度海洋环境的“样例试验”，如下图所示。样例试验是系统提供的已经完成的典型试验，对系统中的所有注册用户开放，可给用户提供一定的参考，从而更好地完成自己的虚拟试验。

点击“样例试验”后，则进入样例试验的详情界面，可以看到样例试验的参数设置、求解器的执行信息及试验的结果。这里，用户可以查看样例的所有信息，但不可以修改。

1.试验创建

系统提供了两种创建虚拟试验的方法，第一种是通过某个虚拟试验为范本来创建虚拟试验。如下图所示，点开某个虚拟试验的详情页面，在这个页面的右侧用红色字体标出的字样“以此创建试验”，则弹出创建新试验的对话框，输入适当的试验名称、编号及描述，点击确定即可完成新试验的创建。

如下图所示，新试验创建后桨自动跳转到该试验的详情页面，可见通过这种方式创建的新试验是样例试验的一个拷贝，其参数与样例试验相同，用户只需按实际情况修改部分参数即可。因此，可将当前虚拟试验看成试验模板，起到初始化设定新试验参数的作用，系统推荐通过这样的方式来创建新的虚拟试验。

第二种创建新试验的方法是创建一个空白试验。如下图所示，通过点击“中尺度海洋环境”中虚拟试验列表上方的“新建”按钮，同样会弹出对话框如下图。填入相应的信息，然后点击确定，即可创建一个新的空白试验。

如下图所示，新空白试验创建后，同样会自动跳转到该虚拟试验的详情页面。可见通过该方法创建的所有虚拟试验都是空白，需要用户手动输入所有的必填参数，方可进行计算，该方法适用于有一定经验的用户。

2. 参数录入

当一个新的虚拟试验创建口，用户需要对其参数进行适当的录入或修改，为确保结果的准确，请确认所录入的参数符合实际情况。下面以“中尺度海洋环境”为例，介绍一下参数的录入方式。

2.1 计算域设置

在“计算域设置”标签中，点击“计算域参数”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以进行计算域大小的设置。

2.2 波浪要素

点击各个参数输入模块的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对波浪要素的参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。

2.3 输出参数

点击各个参数输入模块的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对输出参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。

3. 计算求解

全部参数正确设置后，可启动求解器进行计算。如下图所示红色方框内，求解器的启动及计算状态展示在整个页面的右下方。

如下图所示，点击“启动计算”按钮，会弹出启动确认对话框，点击确定按钮即可启动计算。

如果用户录入的参数不符合计算条件时，计算将无法启动，并会弹出对话框进行提示，请用户按照提示的要求来填写相关的参数，以确保试验能够正确，顺利的进行。

4 结果展示

当求解器执行结束后，可切换到“输出”标签对应的页面来看本次虚拟试验的结果。

[1] Ai, C.-f., Jin, S., Lv, B., 2011. A new fully non-hydrostatic 3D free surface flow model for water wave motions. International Journal for Numerical Methods in Fluids 66(11): 1354-1370.

[2] Ai, C.-f., Jin, S., 2012. A multi-layer non-hydrostatic model for wave breaking and run-up. Coastal Engineering 62(11): 1-8.

[3] Bai, Y., Cheung, K. F., 2013a. Depth-integrated free-surface flow with parameterized non-hydrostatic pressure. International Journal for Numerical Methods in Fluids 71(4): 403-421.

[4] Bai, Y., Cheung, K. F., 2013b. Dispersion and nonlinearity of multi-layer non-hydrostatic free-surface flow. Journal of Fluid Mechanics 726: 226-260.

[5] Beji, S., Battjes, J. A., 1993. Experimental investigation of wave propagation over a bar. Coastal Engineering 19: 151-162.

[6] Bermudez, A., Vazquez, M. E., 1994. Upwind methods for hyperbolic conservation laws with source terms. Computers and Fluids 23(8): 1049-1071.

[7] Bradford, S., 2005. Godunov-Based Model for Nonhydrostatic Wave Dynamics. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering 131(5): 226-238.

[8] Bradford, S., 2011. Nonhydrostatic Model for Surf Zone Simulation. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering 137(4): 163-174.

[9] Bradford, S. F., 2014. A mode split, Godunov-type model for nonhydrostatic, free surface flow. International Journal for Numerical Methods in Fluids 75(6): 426-445.

[10] Briggs, M. J., Synolakis, C. E., Harkins, G. S., Green, D. R., 1995. Laboratory Experiments of Tsunami Runup on a Circular Island. Pageoph 144(3-4): 569-593.

[11] Casulli, V., Stelling, G. S., 1998. Numerical simulation of 3D quasi-hydrostatic, free-surface flows. Journal of Hydraulic Engineering124(7): 678-686.

[12] Chen, Q., Kirby, J. T., Dalrymple, R. A., Kennedy, A. B., Chawla, A., 2000. Boussinesq Modeling of Wave Transformation, Breaking, and Runup. II: 2D. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering 126(1): 48-56.

[13] Choi, D. Y., Yuan, H., 2012. A horizontally curvilinear non-hydrostatic model for simulating nonlinear wave motion in curved boundaries. International Journal for Numerical Methods in Fluids 69(12): 1923-1938.

[14] Fang, K., Zou, Z., Dong, P., Liu, Z., Gui, Q., Yin, J., 2013. An efficient shock capturing algorithm to the extended Boussinesq wave equations. Applied Ocean Research 43: 11-20.

[15] Fang, K. Z., Liu, Z. B., Zou, Z. L., 2014. Modelling coastal water waves using a depth-integrated, non-hydrostatic model with shock-capturing ability. Journal of Hydraulic Research.http://dx.doi.org/10.1080/00221686.2014.948503.

[16] Hunt, A. (2003). Extreme Waves, Overtopping and Flooding at Sea Defences. Ph.D. Dissertation, University of Oxford, Oxford.

[17] Kang, L., Guo, X., 2013. Depth-integrated, non-hydrostatic model using a new alternating direction implicit scheme. Journal of Hydraulic Research 51(4): 1-12.

[18] Kazolea, M., Delis, A. I., Synolakis, C. E., 2014. Numerical treatment of wave breaking on unstructured finite volume approximations for extended Boussinesq-type equations. Journal of Computational Physics 271: 281-305.

[19] Kennedy, A. B., Chen, Q., Kirby, J. T., Dalrymple, R. A., 2000. Boussinesq modeling of wave transformation, breaking, end runup. I: 1D. Journal of Waterway Port Coastal and Ocean Engineering-Asce 126(1): 39-47.

[20] Kurganov, A., Petrova, G., 2007. A second-order well-balanced positivity preserving central upwind scheme for the saint-vinant system. Commun.Math. Sci. 5(1): 133-160.

[21] Lynett, P. J., Wu, T.-R., Liu, P. L. F., 2002. Modeling wave runup with depth-integrated equations. Coastal Engineering 46(2): 89-107.

[22] Lynett, P., Swigle, D., Son, S., Bryant, D., Socolofsky, S. (2010). Experimental study of solitary wave evolution over a 3D shallow shelf. Proceedings of the 32nd International Conference on Coastal Engineering, pp. 813-823.

[23] Ma, G., Shi, F., Kirby, J. T., 2012. Shock-capturing non-hydrostatic model for fully dispersive surface wave processes. Ocean Modelling 43–44(0): 22-35.

[24] Medeiros, S. C., Hagen, S. C., 2013. Review of wetting and drying algorithms for numerical tidal flow models. International Journal for Numerical Methods in Fluids 71(4): 473-487.

[25] Orszaghova, J., Borthwick, A. G. L., Taylor, P. H., 2012. From the paddle to the beach – A Boussinesq shallow water numerical wave tank based on Madsen and Sørensen’s equations. Journal of Computational Physics 231: 328-344.

[26] Roeber, V., Cheung, K. F., Kobayashi, M. H., 2010. Shock-capturing Boussinesq-type model for nearshore wave processes. Coastal Engineering 57(4): 407-423.

[27] Roeber, V., Cheung, K. F., 2012. Boussinesq-type model for energetic breaking waves in fringing reef environments. Coastal Engineering 70: 1-20.

[28] Smit, P., Zijlema, M., Stelling, G., 2013. Depth-induced wave breaking in a non-hydrostatic, near-shore wave model. Coastal Engineering 76(0): 1-16.

[29] Smit, P., Janssen, T., Holthuijsen, L., Smith, J., 2014. Non-hydrostatic modeling of surf zone wave dynamics. Coastal Engineering 83(0): 36-48.

[30] Stansby, P. K., Zhou, J. G., 1998. Shallow-water flow solver with non-hydrostatic pressure: 2D vertical plane problems. International Journal for Numerical Methods in Fluids 28(3): 541-563.

[31] Stelling, G., Zijlema, M., 2003. An accurate and efficient finite-difference algorithm for non-hydrostatic free-surface flow with application to wave propagation. International Journal for Numerical Methods in Fluids 43(1): 1-23.

[32] Synolakis, C. E., 1987. The runup of solitary waves. Journal of Fluid Mechanics 185: 523-545.

[33] Tissier, M., Bonneton, P., Marche, F., CHazel, F., Lannes, D., 2012. A new approach to handle wave breaking in fully non-linear Boussinesq models. Coastal Engineering 67:54-66.

[34] Tonelli, M., Petti, M., 2010. Finite volume scheme for the solution of 2D extended Boussinesq equations in the surf zone. Ocean Engineering 37(7): 567-582.

[35] Vincent, C., Briggs, M., 1989. Refraction-Diffraction of Irregular Waves over a Mound. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering 115(2): 269-284.

[36] Wang, Y. L., Liang, Q. H., Kesserwani, G., Jim, W., 2011. A 2D shallow flow model for practical dam-break simulations. Journal of Hydraulic Research 49(3): 307-316.

[37] Wei, Z., Jia, Y., 2013. A depth-integrated non-hydrostatic finite element model for wave propagation. International Journal for Numerical Methods in Fluids 73(11): 976-1000.

[38] Wu, C., Young, C.-C., Chen, Q., Lynett, P., 2010. Efficient Nonhdrostatic modelling of surface waves from deep to shallow water. Journal of waterway Port Coastal and Ocean Engineering 136(2): 104-118.

[39] Yamazaki, Y., Kowalik, Z., Cheung, K. F., 2009. Depth-integrated, non-hydrostatic model for wave breaking and run-up. International Journal for Numerical Methods in Fluids 61: 473-497.

[40] Young, C.-C., Wu, C., 2010. A sigma-coordinate non-hydrostatic model with embedded Boussinesq-type-like equations for modeling deep-water waves. International Journal for Numerical Methods in Fluids 63: 1448-1470.

[41] Zijlema, M., Stelling, G. S., 2008. Efficient computation of surf zone waves using the nonlinear shallow water equations with non-hydrostatic pressure. Coastal Engineering 55(10): 780-790. Zijlema, M., Stelling, G., Smit, P., 2011. SWASH: An operational public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal waters. Coastal Engineering 58(10):992-1012.