本發(fā)明涉及港口樁基載荷模型分析，具體涉及一種基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、樁基碼頭的選址往往面臨復雜的海洋環(huán)境，而傳統(tǒng)的樁基碼頭泥沙淤積預測方法往往依賴于經(jīng)驗公式和簡化模型，這些方法在應對復雜海洋環(huán)境下計算時，存在諸多不足，如忽略了浪、流等耦合作用，一方面會致使無法準確預測極端天氣條件下的情況，另一方面耦合載荷可能會造成一定的樁基損傷。

2、因此，現(xiàn)提供一種能夠更好地結合耦合數(shù)值模式和泥沙沖淤模型、對復雜海洋環(huán)境進行精確模擬，以對樁基泥沙沖淤情況進行準確評估的基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測系統(tǒng)及方法。

技術實現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術中的以上缺陷，提供一種能夠更好地結合耦合數(shù)值模式和泥沙沖淤模型、對復雜海洋環(huán)境進行精確模擬，以對樁基泥沙沖淤情況進行準確評估的基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測系統(tǒng)及方法，為港口碼頭的設計、施工和運營提供科學依據(jù)。

2、本發(fā)明公開了一種基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測系統(tǒng)，包括：

3、預處理模塊：獲取樁基實測數(shù)據(jù)與目標區(qū)域的泥沙參數(shù)后進行數(shù)據(jù)預處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)預處理后的樁基實測數(shù)據(jù)建立樁基三維模型；

4、耦合器模塊：采用耦合數(shù)值模式技術，至少包括海洋模式和海浪模式，通過mct耦合器實現(xiàn)各模式間的數(shù)據(jù)同步與交換；

5、數(shù)據(jù)轉換模塊：將波浪場數(shù)據(jù)和流場數(shù)據(jù)轉換為樁基結構的水動力輸入文件，所述數(shù)據(jù)轉換模塊能夠根據(jù)flow3d軟件的需求，輸出符合相應格式的數(shù)據(jù)文件；

6、flow3d模塊：將當前時刻的樁基三維模型、耦合生成的水動力條件和數(shù)據(jù)預處理后的泥沙參數(shù)輸入配置好的flow3d模塊程序中模擬真實海域條件下樁基周圍泥沙沖淤，得到當前時刻樁周泥沙沖淤形態(tài)；樁周泥沙沖淤形態(tài)包括沖淤強度、沖淤量和沖淤分布情況；

7、可視化模塊：根據(jù)當前時刻樁周泥沙沖淤形態(tài)建立三維泥沙模型，得到當前時刻樁基的沖淤強度、沖淤量和沖淤分布情況；構建可視化程序，將每一時刻的樁基三維模型及樁周泥沙沖淤形態(tài)（包含沖淤強度、沖淤量和沖淤分布情況等方面）及預警結果在可視化界面中進行展示。

8、本發(fā)明還公開了一種基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測方法，包括以下步驟：

9、s1.搜集樁基實測數(shù)據(jù)與目標區(qū)域的泥沙參數(shù)，根據(jù)樁基實測數(shù)據(jù)建立樁基三維模型，并對于樁基實測數(shù)據(jù)、泥沙參數(shù)和風場數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理；

10、s2.基于swan海浪模式計算出波浪能量的分布、波高、波長、波向以及波浪的非線性相互作用，swan模式輸出的波浪場數(shù)據(jù)將作為后續(xù)水動力計算的輸入數(shù)據(jù)；

11、s3.基于roms海洋模式提供三維流場分布，為樁基的水動力分析提供流體力學數(shù)據(jù)支持；

12、s4.通過mct耦合器將海浪模式模塊和海洋模式模塊之間的數(shù)據(jù)進行交換和同步；

13、s5.將波浪場數(shù)據(jù)和流場數(shù)據(jù)轉換為樁基結構的水動力輸入文件，輸入至flow3d模塊中作為邊界條件進行計算；

14、s6.基于樁基三維模型、預處理后的泥沙參數(shù)以及水動力邊界條件，在flow3d模塊建立泥沙樁基沖刷模型，模擬真實海域條件下樁基周圍泥沙沖淤，計算得到波流作用下樁周泥沙沖淤形態(tài)；

15、s7.根據(jù)計算得到波流作用下樁周泥沙沖淤結果，構建可視化模塊，分析真實海洋環(huán)境下樁周泥沙不同沖淤形態(tài)變化情況。

16、在s2中，包括：在初始化階段，配置海浪模式的swan模型，設定波浪域、邊界條件以及風場輸入；準備初始波浪條件和邊界條件，包括但不限于波浪高度、周期和傳播方向；swan模型將接收海洋模式的roms模型的海洋流場數(shù)據(jù)，通過該輸入模擬近岸區(qū)域的波浪特性，包括但不限于波浪高度、周期和傳播方向在內的數(shù)據(jù)。

17、在s3中，包括：在初始化階段，配置海洋模式的roms模型，設定的物理參數(shù)包括模擬域、時間步長、垂向混合和底拖力；準備海洋初始條件和邊界條件，包括但不限于溫度、鹽度、密度和地形數(shù)據(jù)；roms模型考慮包括潮流、渦流、海流在內的多種海洋動力過程，模擬海域內不同深度的流場變化，通過模擬海洋動力過程，生成包括海洋流速、溫度和鹽度在內的數(shù)據(jù)。

18、在s4中，包括：配置耦合模式，定義模式間的網(wǎng)格映射和通信路徑；mct耦合器通過集成多種數(shù)據(jù)交換協(xié)議和同步算法，實現(xiàn)模式之間的無縫銜接；swan模型計算出的波浪參數(shù)被傳輸?shù)絩oms模型中，用于修正海表應力和垂向混合系數(shù)；roms模型計算出的海流數(shù)據(jù)反饋給swan模型，用于修正波浪的傳播路徑和能量分布。

19、在s5中，包括：通過數(shù)據(jù)轉換模塊將海洋模式和海浪模式輸出的波浪場和流場數(shù)據(jù)轉換為水動力輸入文件；通過從中尺度模型的波浪場和流場數(shù)據(jù)中提取特定點位的時間序列數(shù)據(jù)，包括波浪高程、速度分量（u、v、w）、加速度，該時間序列數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)用于flow3d模塊生成所需的小尺度波浪場數(shù)據(jù)文件，并在flow3d中配置相應的水動力作用，以模擬碼頭樁基在實際海洋環(huán)境中的水動力情況。

20、在s6中，包括：配置flow3d模塊包括，選用指定的湍流模型并激活泥沙模塊以建立泥沙沖刷模型，設置整體計算域的范圍和泥沙沖刷結果關注范圍，對計算域進行網(wǎng)格劃分，并設置網(wǎng)格邊界條件以模擬來流條件；將當前時刻的樁基三維模型、耦合生成的水動力條件和數(shù)據(jù)預處理后的泥沙參數(shù)輸入配置好的flow3d模塊中模擬真實海域條件下樁基周圍泥沙沖淤，得到當前時刻樁周泥沙沖淤形態(tài)。

21、本發(fā)明技術方案，具有如下優(yōu)點：

22、在本發(fā)明中，采用多物理場耦合模型，整合roms、swan模型和flow3d模塊；一方面，這種集成式耦合策略能夠捕捉臺風等極端天氣下的多尺度復雜動力過程，包括海洋內部動力學響應以及近海波浪的生成與傳播；通過充分考慮各物理場之間的非線性相互作用，顯著提高了對浪、流場耦合效應的模擬精度，特別是在強臺風條件下，該系統(tǒng)能夠精確再現(xiàn)復雜海洋環(huán)境的動態(tài)演變過程，極大地減少了傳統(tǒng)單一模型方法的誤差累積與系統(tǒng)性偏差；另一方面，通過flow3d模塊計算樁基周圍泥沙沖淤變化，得到當前時刻沖淤強度、沖淤量和沖淤分布情況，建立三維泥沙可視化模型，對于樁基泥沙沖淤情況的準確評估提供科學依據(jù)。

技術特征：

1.基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據(jù)權利要求2所述的基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測方法，其特征在于，在s2中，包括：

4.根據(jù)權利要求3所述的基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測方法，其特征在于，在s3中，包括：

5.根據(jù)權利要求4中所述的基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測方法，其特征在于，在s4中，包括：

6.根據(jù)權利要求5中所述的基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測方法，其特征在于，在s5中，包括：

7.根據(jù)權利要求6中所述的基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測方法，其特征在于，在s6中，包括：

技術總結
本發(fā)明公開了基于波流耦合模擬的樁基碼頭泥沙沖淤預測系統(tǒng)及方法，包括獲取樁基實測數(shù)據(jù)與目標區(qū)域的泥沙參數(shù)后進行數(shù)據(jù)預處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)預處理后的樁基實測數(shù)據(jù)建立樁基三維模型的預處理模塊；采用耦合數(shù)值模式技術，通過MCT耦合器實現(xiàn)各模式間的數(shù)據(jù)同步與交換的耦合器模塊：將波浪場數(shù)據(jù)和流場數(shù)據(jù)轉換為樁基結構的水動力輸入文件的數(shù)據(jù)轉換模塊；將當前時刻的樁基三維模型、耦合生成的水動力條件和數(shù)據(jù)預處理后的泥沙參數(shù)輸入配置好的FLOW3D模塊程序中模擬真實海域條件下樁基周圍泥沙沖淤，得到當前時刻樁周泥沙沖淤形態(tài)的FlOW3D模塊；將每一時刻的樁基三維模型及樁周泥沙沖淤形態(tài)及預警結果在可視化界面中進行展示的可視化模塊。

技術研發(fā)人員：陳杰,甯子豪,蔣昌波,張志成,陳維,姚震,曹旭輝,伍志元,鄧斌
受保護的技術使用者：長沙理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/17