網格尺度對三維水動力模型模擬濱海地區潮流特性影響的數值分析

摘 要：構建了三門灣三維水動力模型，將計算結果與實測資料進行對比分析后設置了不同的網格尺度，對三個斷面和四個典型點的潮流特性進行了分析。結果表明：當研究水域為港汊較多、地形復雜的海灣時，數值模擬計算值的相對偏差會隨著網格尺度增大而增大，當網格尺度增大到一定值時，相對偏差會由于多種誤差的正負累積而趨于穩定。地形是影響潮流計算的關鍵因素，在地形變化劇烈和水深較小的潮間帶水域的潮差和流速值相對變化較大，在水深較大的平坦區域則幾乎不受網格尺度的影響;流向對網格尺度的敏感程度較低，與網格尺度無明顯關系;水平渦粘系數與網格面積呈正相關，且網格面積對流速變形率Sij 較大處影響較大。綜合分析，在進行潮流計算時，需要在地形復雜的岸邊、水深較小的潮間帶以及島嶼間進行網格的加密處理，考慮計算時間、模型計算的穩定收斂以及計算值的精確度等因素，確定合適的計算網格尺度，使得計算結果滿足精度要求。

關鍵詞：三維水動力模型;網格尺度;潮流特性;數值模擬

中圖分類號：X143 文獻標識碼：A

濱海地區核電廠運行時會向周邊水域排放大量溫排水造成環境熱污染[1-2] ，溫排水影響是當前濱海核電站規劃、設計、運行以及海洋環境評價所關注的重要生態環境問題。研究區域的潮流特性、湍流強度以及渦旋、環流狀況等都會對溫排水運動規律產生影響，因此需要建立合適的潮流模型才能反映溫排水的運輸特征[3] 。潮流模型模擬需對研究區域進行網格剖分，計算模型的運算成本和效率、模擬結果的精度以及輸入地形與實際地形的擬合程度會受到網格尺度的影響[4-5] 。目前大部分學者對網格模型的研究多集中在水文 [6-8] 、泥沙淤積[9] 、浮體水動力性能[10] 以及近壁和繞流情況[11-12] 的模擬，對于大范圍潮流數值模擬網格尺度的研究分析不足，因此有必要研究網格尺度變化對潮流場計算結果的影響趨勢及主要影響因素。

三維數值模型軟件已經被廣泛應用于河、湖以及海洋水動力的模擬預測中[13-15] 。其中MIKE軟件作為一款成熟的商業開發軟件，其內置的非結構化三角形網格在模擬復雜地形和不規則岸線上具有優勢，同時其較強的前后處理功能可有效處理大流域、長時間、多維度等數值模擬工作[16] ，被較廣泛地應用于核電廠環境影響評價中。李娜[17] 、陸凡[18] 等將MIKE 軟件應用于大范圍水域的模擬計算中，并取得了良好效果，但目前有關網格尺度對計算結果影響的研究還比較少見。本文選取三門灣為研究區域，在模型驗證良好的基礎上，重點探討不同網格尺度對研究區域地形、潮差、流速、流向和水平渦粘系數的影響，以期為濱海地區潮流特性模擬相關研究提供參考依據。

1 計算原理

1. 1 控制方程

大面積水域水動力數學模型服從靜壓假定和Boussinesq 假定，求解準三維不可壓縮流體流動的雷諾時均方程。控制方程如下式所示[19] ：