数值波浪水槽(水池)的前后处理研究

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在海岸、海洋工程中,数值模拟已成为研究水波的重要途径。因而对数据的获取、地形的生成等前处理工作和波浪可视化、数据的提取等后处理工作也成为重要的研究领域。本文针对基于Boussinesq方程的数值波浪水池和基于雷诺方程的数值波浪水槽研究了相关的前处理和后处理,并集成了相应的软件。网格数字地形的生成是波浪、潮流计算中不可缺少的输入信息,它的主要工作是插值每个网格节点的地形高程。本文通过对多种插值方法的比较,采用按位取点法,选用改进的加权平均法,得到了基本网格地形。本文采用矢量相乘法区分水陆边界,通过网格细分插值实现了地形的旋转和加密,并实现了添加航道、堤坝和港池等港工结构物的功能。科学计算可视化是分析数值模拟结果的有效途径。本文研究了计算网格地形、波高等值线、速度场和波面的可视化。网格图是通过网格点的不同颜色表示不同高程的图形。对于网格点稠密的图形,用网格图可以表达出图形的全部特征。波浪计算的地形多为大面积地形,空间步长远小于计算面积,属于稠密网格,因此采用颜色区分的网格图来绘制图形较简单方便。等值线图是观察计算结果的常用方法,绘制等值线采用二值等值线法,同时用不同色的画笔追踪不同的等值线。波浪计算中采用的有限差分法一般采用矩形网格,因此计算中产生的数据为二元矩形网格数据。一方面由于三角形是所有图形中构造最简单的,另一方面为了避免矩形网格绘制等值线时产生二义性,故将矩形网格中每一个单元划分为两个三角形,在这些三角形上插值等值线。矢量图是观察速度场的有效方法。矢量图是在场中每一个点用箭头表示方向和用箭杆表示大小的图形。矢量的动态显示主要为了显示每个时刻流场的细节变化。为了增加显示速度、提高流场的连续性,本文采用计算数据二进制存储。另外,用面绘制算法实现了波面的可视化及动态显示,并将以上各项功能集成到了已有的数值波浪水池和波浪水槽软件中。
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