本发明专利技术属于洪水演进可视化仿真领域。为实现风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真，实现海堤安全管理、风暴潮灾害的快速科学评估及科学制定抢险救灾实施方案，本发明专利技术采取的技术方案是，复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法，包括如下步骤：(1)复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型；(2)复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制；(3)复杂淹没区域风暴潮洪水演进液相流的动态模拟；(4)复杂淹没区域风暴潮洪水演进动力学解算；(5)复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模；(6)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。本发明专利技术主要应用于风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复杂淹没区域洪水演进可视化仿真领域，涉及复杂淹没区域风暴潮洪水演进的三维数值模拟及基于数值模拟的复杂淹没区域洪水演进三维动态全过程仿真方法。具体讲，涉及基于数值模拟的。
技术介绍
中国海洋灾害损失约占全部自然灾害总损失的10%，而风暴潮灾害又为海洋灾害之首。随着CFD (Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)技术的广泛应用，风暴潮洪水演进数值模拟已成为风暴潮灾害风险评估的重要手段之一。基于复杂淹没区域风暴潮洪水演进数值模拟的洪水演进三维动态全过程仿真，在三维虚拟世界中实现对洪水的仿真体验，便于对复杂淹没区域中洪水演进的现象和规律进行全方位的观察、操作和分析，更好地了解复杂淹没区域洪水演进的全过程，对复杂淹没区域的风暴潮洪水演进到不同地区的时间、水深和流速提供快速、准确和直观的预报。国外关于洪水演进数值模拟的相关技术主要是利用一些以GIS(Ge0graphiCInformation System,地理信息系统)技术为基础开发出的商用软件包进行初步的洪水淹没与演进模拟，相关的软件主要有DAMBRK、MIKE-IU HEC-2等等。这些技术在洪水演进与GIS集成方面做了不少的工作，为洪水演进仿真技术的深层次开发提供了基础，但都不能够动态模拟复杂淹没区域中流域洪水的三维淹没演进过程，因而不能直观、高效和实时动态地提供流域周边经济带和生活区的防洪对策。在国内，董文锋等应用了一维水动力学模型结合0penGL(0pen GraphicsLibrary)和GIS技术研制了清江流域“洪水演进模拟仿真系统”模拟流域洪水的淹没过程；韩敏等以给定水位的方式采用VC和OpenGL技术建立了洪水演进模拟系统，实现了洪水演进的可视化；李云等采用平面一維和ニ维水流数学模型结合GIS和VR (VirtualReality，虚拟现实)技术实现了淮河临淮岗大型行蓄洪区洪水演进的可视化；张成才等以GIS技术为基础，基于ニ维浅水方程，采用有限体积法，建立洪水演进数学模型，并将其制成动态链接库，通过编程调用该库实现洪水淹没分析功能，计算出给定水位下的洪水淹没面积和水量，采用面向对象的编程语言C#，结合ArcEngine组件库，开发了黄河东平湖洪水淹没场景三维可视化系统，并成功应用于东平湖蓄滞洪区的洪水计算中；冶运涛等采用网格逼近的方法生成了三维河道地形，与大尺度流域三维场景形成嵌套结构，在与一维水动力学模型集成的基础上，采用动态纹理技术和纹理坐标求解实现了大范围水面动态模拟。综上所述，国内外针对洪水演进数值模拟的研究大多数都集中于ー维或ニ维的水 流数值模拟计算，不能真实反映流场的细节变化，且均未涉及复杂淹没区域地形建模的洪水演进全过程动态仿真，目前基于三维数值模拟的复杂淹没区域风暴潮溃堤洪水演进全过程仿真还未见报道，缺乏对含有复杂地貌的大范围洪水演进的数值模拟。參考文献袁艳斌，王乘，杜迎泽，等.洪水演进模拟仿真系统研制的技术和目标分析.水电能源科学，2001，19 (3) :30-33.董文鋒，袁艳斌，杜迎泽，等.流域三维仿真地形仿真及洪水演进动态模拟.水电能源科学，2001，19 (3) :37-39.韩敏，陈明.洪水演进模拟的三维可视化研究.计算机应用研究，2005，25(8) :1906-1907.韩敏，孟宇，顾峰峰，等.VR技术在扎龙湿地三维洪水仿真系统中的应用.计算机工程与应用，2006，42 (5) =185-188.李云，范子武，吴时强，等.大型行蓄洪区洪水演进数值模拟与三维可视化技术.水利学报，2005，36 (10) :1158-1164.张成才，常静，孙喜梅，等.基于GIS的洪水淹没场景三维可视化研究.北 京师范大学学报(自然科学版)，2010，46 (3) =329-332.冶运涛，张尚弘，王兴奎.三峡库区洪水演进三维可视化仿真研究.系统仿真学报，2009，21 (14) :4379-4382.
技术实现思路
本专利技术g在解决克服现有技术的不足，实现复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真，为海堤安全管理、风暴潮灾害的快速科学评估及科学制定抢险救灾实施方案提供理论与技术支持，对提高风暴潮灾害应急处置能力，确保沿海地区防潮安全具有非常重要的理论意义和实践价值。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是，具体包括如下内容(I)复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型；(2)复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制；(3)复杂淹没区域风暴潮洪水演进液相流的动态模拟；(4)复杂淹没区域风暴潮洪水演进动力学解算；(5)复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模；(6)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型是采用耦合VOF法的三维K - ε复杂淹没区域风暴潮洪水演进数学模型在计算域内,VOF法,即Volume of Fluid法,流体体积函数法,对模型中的姆ー相弓丨入ー个变量-相体积分数F，F是空间和时间的函数，即F = F(X，y，Z，t)，在离散网格内，F值是网格内各相流体的体积与能够被流体通过的空间体积的比值，水气界面的追踪可通过求解F的输运方程完成V + H^ +1；^ + w^ = 0F e Vt OX C'VO-其中，F为相体积分数，无因次；t为时间，単位s ;X，y，z为直角坐标系下的坐标分量，单位m ;u, V, W分别为直角坐标系下x,y,z方向的速度分量,单位m/s ;模型的基本微分方程包括连续性方程、动量方程、紊动能k方程和紊动能耗散率ε方程，分别表示如下连续性方程权利要求1.一种，其特征是，具体包括如下内容 (1)复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型； (2)复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制； (3)复杂淹没区域风暴潮洪水演进液相流的动态模拟； (4)复杂淹没区域风暴潮洪水演进动力学解算； (5)复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模； (6)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。2.如权利要求I所述的方法，其特征是，复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型是采用耦合VOF法的三维K - e复杂淹没区域风暴潮洪水演进数学模型 在计算域内，VOF法,即Volume of Fluid法,流体体积函数法,对模型中的每一相引入一个变量-相体积分数F，F是空间和时间的函数，即F = F(x，y，z，t)，在离散网格内，F值是网格内各相流体的体积与能够被流体通过的空间体积的比值，水气界面的追踪可通过求解F的输运方程完成3.如权利要求I所述的方法，其特征是，复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制基于复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维精细化数值模拟结果，按照划分网格的顶点得到不同时刻的空间坐标为(X，1，z)的数据类型，通过数据结构存储构建水面网格的顶点坐标以及各顶点之间的拓扑关系，构成空间三角网；首先通过将水流空间三角网与三维数字场景中的地形、建筑物等模型间的相交融合来解决遮挡关系与混叠问题，实现水流与三维场景的精准、有效结合，其次将三维数值模拟结果通过标量场的动态可视化方法来模拟包括水位、淹没面积的相关物理量的变化；标量场的动态模拟，是利用颜色的变化来表示物理量随时间的变化过程将物理量的变化范围与所选定颜色的变化范本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：佟大威，王晓玲，刘东海，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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