1.功能介绍

本产品采用基于无粘层析水波模型及有粘直角网格模型，开发了非线性海浪高精度耦合算法，能高效精确模拟非线性海浪波形、速度场的精细海洋环境。可对中小尺度海域海浪的变化进行全过程时域模拟，为船舶和海洋结构物等装备的数值水池虚拟试验提供非线性的海浪流场环境。

主要功能包括：
    规则波；
    二维随机波/二维聚焦波；
    三维随机波/三维聚焦波；

2.产品特色

（1）核心求解器采用基于无粘层析水波模型及有粘直角网格模型的高精度耦合算法
    无粘流场快速计算；
    减少有粘流场区域；
    提高整体计算效率。

（2）融合了参数设置专家智慧
    参数设置简单易懂

（3）试验结果分析
    以曲线图展示浪高仪时间历程和速度场垂向剖面图
    以云图展示波面抓拍图
    可给出波形和速度场
    试验结果动态展示
    试验报告自动生成

3.运行环境和效率

主流PC机上即可运行；Windows操作系统，高性能计算集群上也可运行。 Windows操作系统，采用虚拟化技术，动态分配资源，满足计算所需。

4.试验精度

测试结果获得了国际标模、项目组标模等物模试验验证。与畸形波物理试验结果对比，波峰高度误差在5%以内。

案例一 规则波

  1.1 案例名称

中小尺度流场-规则波

  1.2 案例描述

试验规则波模拟

  1.3 试验结果

浪高仪时间历程

  1.4 重要模型和参数

   1.4.1 数值试验布置

本试验计算域为长20.0m，计算域宽0.1m，水深4.0m，试验浪高仪数量设置为10个，浪高仪位置如表1.4.1所示。

   1.4.2 数值试验参数设置

  1.5 部分试验结果展示

案例二 二维聚焦波

  1.1 案例名称

中小尺度流场-二维聚焦波

  1.2 案例描述

试验二维聚焦波模拟

  1.3 试验结果

① 浪高仪时间历程
    ② 速度剖面图

  1.4 重要模型和参数

   1.4.1数值试验布置

本试验计算域为长20.0m，计算域宽0.1m，水深0.7 m，试验浪高仪数量设置为10个，浪高仪位置如表 1.4.1所示。

   1.4.2 数值试验参数设置

  1.5 部分试验结果展示

案例三 二维随机波

  1.1 案例名称

中小尺度流场-二维随机波

  1.2 案例描述

试验二维随机波模拟

  1.3 试验结果

① 浪高仪时间历程

  1.4 重要模型和参数

   1.4.1数值试验布置

本试验计算域为长20.0m，计算域宽0.1m，水深0.7 m，试验浪高仪数量设置为4个，浪高仪位置如表 1.4.1所示。

   1.4.2 数值试验参数设置

  1.5 部分试验结果展示

案例四 三维聚焦波

  1.1 案例名称

中小尺度流场-三维聚焦波

  1.2 案例描述

试验三维聚焦波模拟

  1.3 试验结果

    ① 浪高仪时间历程
    ② 速度剖面图
    ③ 最大波面云图

  1.4 重要模型和参数

   1.4.1数值试验布置

本试验计算域为长12.0m，计算域宽10.0m，水深0.7m，试验浪高仪数量设置为5个，浪高仪位置如表 4.1所示。

   1.4.2 数值试验参数设置

  1.5 部分试验结果展示

案例五 三维随机波

  1.1 案例名称

中小尺度流场-三维随机波

  1.2 案例描述

试验三维随机波模拟

  1.3 试验结果

    ① 浪高仪时间历程

②最大波面云图

  1.4 重要模型和参数

   1.4.1数值试验布置

本试验计算域为长15.0m，计算域宽10.0m，水深0.7 m，试验浪高仪数量设置为5个，浪高仪位置如表 4.1所示。

   1.4.2 数值试验参数设置

  1.5 部分试验结果展示

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“样例-中小尺度-三维随机波”为例进行详细介绍。

登录系统后，点击页面左侧导航栏中的“中小尺度海洋环境”，从而进入该试验的管理页面。如下图所示，该页面有关于中小尺度海洋环境的主要功能介绍，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。

页面的右侧是中小尺度海洋环境的“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，新试验创建后将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“中小尺度海洋环境”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。一个虚拟试验可大致分为文件型参数、单数值型参数、表格型参数几种类型，下面以“样例-中小尺度-三维随机波”为例，介绍一下各种类型参数的录入方式。

2.1 计算参数

在“计算参数”标签中，点击“计算区域”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以进行与计算区域相关参数的设置。按照所提示的信息输入正确的计算区域参数。参数为“默认值”，如有修改必要，参数都需要用户手动输入。

在“计算参数”标签中，点击“粘流区长度”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以进行与粘流区长度相关参数的设置。按照所提示的信息输入正确的粘流区长度参数。参数为“默认值”，如有修改必要，参数需要用户手动输入。

在“计算参数”标签中，点击“计算时间”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以进行与计算时间相关参数的设置。按照所提示的信息输入正确的计算时间参数。参数为“默认值”，如有修改必要，参数需要用户手动输入。

2.2 物理参数

点击“物理参数”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对物理参数进行设置，参数为“默认值”，如有修改必要，所有参数都可以用户手动输入。

2.3 波浪参数

在“波浪参数”标签中，点击“波浪类型”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面。其中“波浪类型”和“波浪谱类型”为下拉菜单，不需要用户输入。

当选择为“三维不规则波”和“双参数ITTC谱”时，在“波浪参数”标签中会出现“波浪谱参数”小标签。点击 “修改”按钮，可进入如下图所示页面。可以对波浪谱参数进行设置，参数为“默认值”，如有修改必要，所有参数都可以用户手动输入。

2.4 输出参数

在“输出参数”标签中，点击“全局波面”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以进行与全局波面相关参数的设置。按照所提示的信息输入正确的全局波面参数。参数为“默认值”，如有修改必要，参数都需要用户手动输入。

在“输出参数”标签中，点击“浪高仪信息”小标签下方的“新建”按钮，可进入如下图所示页面，可以进行与浪高仪信息相关参数的设置。按照所提示的信息输入正确的浪高仪信息参数。参数需要用户手动输入。

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上方。

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“试验结果”标签对应的页面来看本次虚拟试验的结果，试验结果可分为以下几类：

4.1虚拟试验报告

点击红色字体“试验报告”，可进入如下页面，若之前已经生成过报告，可以点击“是”就可重新生成报告，若不用重新生成则可“点击下载”，选择“否”并点击“确定”。

4.2曲线类

选择相应浪高仪，浪高仪会呈现蓝色，点击“显示曲线”，就可观察该浪高仪时间历程。

本模型中尺度区域采用无粘层析波浪模型，层析波浪模型最早由Green和Naghdi用于水波分析。后续用于欧拉场垂直分层，称为GN波浪模型。海底和水面可以看作流体层的上下两个表面，中间则引入沿水深分布的速度假设，然后不抛弃任何项，建立起层析波浪模型。在此基础上，Kim等还提出了无旋GN (IGN)波浪模型。IGN模型形式更简单，计算效率更高。

本模型小尺度区域采用三维不可压缩NS方程作为控制方程，网格系统为笛卡尔直角坐标系。利用交错网格技术布置变量，然后采用分步法求解NS方程，并基于CIP的有限差分方法进行空间离散。

本模型采用边界造波的方式生成波浪，采用海绵层进行消波，适用于全水深，现已具备生成多种波浪类型的能力：规则波、二维随机波（JONSWAP谱和ITTC双参数谱）、三维随机波（JONSWAP谱和ITTC双参数谱）、二维聚焦波、三维聚焦波。

4.1控制方程

中尺度模型控制方程，以二维有限水深IGN模型为例，速度场（）用流函数表示。

流函数沿水深方向假设为，

其中表示自由面和水深。则有限水深二维IGN方程表示为：

其中表示动能

上述为关于沿水深的积分，表示IGN模型的级别数，级别越高计算精度越高，计算用时也越长。

小尺度模型采用三维不可压缩粘性流体NS方程作为控制方程，连续性方程和动量方程，如下

式中，分别为流体密度，动力粘性系数，压强以及体积力。

4.2边界条件

为求解控制方程，需要在所有的物理边界上施加边界条件。

在自由表面，采用全非线性自由面条件。垂向速度w需要满足运动学边界条件，同时自由表面压力为0。在水底，采用不可穿透条件。

在水池造波边界，采用速度入口边界条件。而与造波边界相对的另一侧，采用消波边界条件。

模型计算区域包含于中尺度模型计算区域内，相应边界条件与中尺度模型保持一致。耦合区域同样采用速度入口边界条件，实现中小尺度模型的匹配。

4.3空间离散与时间步进

中尺度模型计算区域采用的IGN模型在空间上采用五点中心差分离散方法，对一阶导数和二阶导数达到4阶精度，三阶导数达到2阶精度。时间步进方式采用4阶Adams预测校正法。为了保持数值连续性，还采用了五点光滑技术。

小尺度模型采用基于CIP方法的有限差分法进行空间离散，并用分步法进行时间步进，在此过程中还需要求解关于压力的泊松方程。自由面方面采用THINC算法进行高效准确捕捉，最后用浸没边界法处理复杂结构物面问题。

4.4波浪谱形选择

本模型波浪计算随机波浪场时，谱形可选择为JONSWAP谱及ITTC双参数谱。谱形选择JONSWAP谱时，谱形计算公式如下：

式中，H1/3为有效波高，Tp为谱峰值周期，fp为谱峰值频率，谱峰值参数γ取平均值3.3。

谱形选择ITTC双参数谱时，谱形计算公式如下：

式中，H1/3为有效波高，T1为特征周期

4.5方向函数选择

采用方向谱计算三维波浪场，方向谱写成以下形式：

其中，为频率谱，为方向分布函数。采用单叠加法，假定方向分布与频率无关。则方向分布函数有如下形式：

式中，为伽玛函数，n为方向分布参数，为一常数值。当n=1时，；当n=2时，，依次类推。采用单叠加法频率分割必须采用等分能量法，且波浪成份一般大于等于1000份。叠加波面如下