海浪模擬研究情況介紹

2017-05-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

海浪的研究在現(xiàn)代水力學(xué)、流體力學(xué)、波浪學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、雷達(dá)回波模擬等領(lǐng)域中凸現(xiàn)出重要價(jià)值。海浪模擬技術(shù)作為海浪研究的重要內(nèi)容:在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真研究、海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行控制實(shí)驗(yàn)、海面回波仿真、雷達(dá)成像模擬研究等,為作戰(zhàn)平臺(tái)的仿真開發(fā)、武器系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

海浪建模作為海浪模擬技術(shù)的第一個(gè)環(huán)節(jié),也是最基礎(chǔ)和最重要的的環(huán)節(jié),其好壞直接影響著海浪模擬的逼真程度和效率。

海浪是指海洋上水氣界面的周期性波動(dòng),是海洋上最常見的物理現(xiàn)象。在海面上最易發(fā)生且影響最大的就是風(fēng)浪和涌浪,故此處重點(diǎn)介紹風(fēng)浪和涌浪的形成過程。

1,風(fēng)浪的形成

風(fēng)浪的形成可以看作是大氣到海洋的能量傳播過程。海浪的產(chǎn)生要滿足三個(gè)條件:1)必須存在一個(gè)不受擾動(dòng)的平穩(wěn)狀態(tài);2)必須存在破壞平衡的擾動(dòng);3)必須存在一個(gè)恢復(fù)平衡的回復(fù)力。在海洋中,海面受風(fēng)的壓力變化發(fā)生凹凸,海面的表面張力使其復(fù)原時(shí)發(fā)生振動(dòng),此時(shí)即為海面上產(chǎn)生的漣漪,為海浪的起始時(shí)期。海浪繼續(xù)受風(fēng)的剪力作用,并與陣風(fēng)產(chǎn)生共鳴作用,從風(fēng)中吸取能量,波高逐漸加高,波長逐漸加長,到達(dá)波瀾壯闊的情況,此為海浪的青春期及壯年期。此時(shí)逼使水面復(fù)原而產(chǎn)生波動(dòng)的力為重力,故稱為重力波。如果風(fēng)速保持不變,則揚(yáng)波域的風(fēng)浪不再變化。實(shí)際的開闊大洋上,由于氣壓系統(tǒng)的移動(dòng)和流場(chǎng)的不斷變化,不容易出現(xiàn)較長時(shí)間穩(wěn)定的風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)波浪發(fā)生作用,充分成長的風(fēng)浪也不會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)。

2,浪涌的形成

當(dāng)風(fēng)開始平息或是波浪的前進(jìn)速度發(fā)展至大于風(fēng)速時(shí),海浪不再成長,并脫離揚(yáng)波域向靜水域前進(jìn),即成為涌浪。此時(shí)己不能由風(fēng)中取得能量,同時(shí)更因海水的粘滯性而生的內(nèi)部摩擦及波浪前進(jìn)時(shí)的相對(duì)風(fēng)速,使得波高減低,此為海浪的中年期。進(jìn)入較淺處發(fā)生觸底現(xiàn)象后,海浪受環(huán)境影響而變形,此時(shí)的衰減現(xiàn)象更為顯著,可謂海浪的晚年期。最后海浪在不能維持其波形的物理?xiàng)l件下產(chǎn)生碎波。

3,建模方法

海浪作為一類復(fù)雜的自然現(xiàn)象,波動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜,在時(shí)間和空間上具有不規(guī)則性。目前主要有如下幾類方法:基于流體力學(xué)的建模方法、基于海浪譜的建模方法、基于幾何造型的建模方法、基于動(dòng)力模型的建模方法、基于分形的建模方法。

3.1 流體力學(xué)建模

此建模方法通過求解N-S方程組得到流體質(zhì)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)來生成海浪,而不是直接模擬海浪的運(yùn)動(dòng),這類方法可以稱之為基于物理的方法。Kass等人通過簡(jiǎn)化二維淺水波方程組來模擬不同深度的波浪,將水表面看成高度場(chǎng),將水體分成一個(gè)個(gè)水柱,假定水柱本身沒有垂直的速度,只有水平的速度且速度恒定,設(shè)置初始條件時(shí)只要設(shè)置一部分水柱的高度與周圍水柱的高度不一樣,通過N-S方程會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生波浪,真實(shí)的表現(xiàn)了流體的運(yùn)動(dòng)效果,此類方法常用于模擬淺水波而不能模擬碎浪。陳前華采用數(shù)值迭代方法求解二維的N-S方程。徐迎慶等通過求解水力學(xué)方程組直接得到流水的形態(tài),提出了一個(gè)基于物理模型的模擬流水和波浪的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫方法,通過調(diào)整方程的初始條件,可以比較真實(shí)地模擬水流及波浪的不同形態(tài)。Foster等則直接利用數(shù)值方法求解三維流場(chǎng)從而更加真實(shí)全面地模擬了流體運(yùn)動(dòng)。Geof-freyIrving[11]則沒有用傳統(tǒng)的高度場(chǎng)的方法,而采用三維N-S方程自由表面解來模擬整個(gè)水體頂層表面。Mihalef[12]也從N-S方程出發(fā)提出了一類切片法,先構(gòu)建一個(gè)二維垂直碎浪切片庫,之后而從這個(gè)波浪庫中選出垂直方向的二維切片來構(gòu)建破碎波浪的三維波形。

這類方法的效果比較真實(shí),適用范圍較為廣泛。但是該方法的求解過程非常復(fù)雜,計(jì)算量往往很大,效率較低,在普通計(jì)算機(jī)上生成一幅圖像需要很長的時(shí)間,不適用于實(shí)時(shí)的海浪生成。

3.2 基于海浪譜的建模方法

基于海浪譜的建模方法就是將隨機(jī)海浪的特征抽象為隨機(jī)過程的數(shù)學(xué)模型,即將隨機(jī)海浪模型抽象為眾多隨機(jī)成分之和,此和中的成分都是簡(jiǎn)單的波形函數(shù),且波形函數(shù)中的各項(xiàng)參數(shù)可利用海浪譜得到。此方法是由海洋學(xué)家Neummn和Pier-son等人在20世紀(jì)40年代提出的。目前,已經(jīng)成熟的隨機(jī)海浪模型有Pierson模型、Longuet-Hig-gins模型、Fourier-Stieltjes積分模型、海浪波面位移鉛直速度和鉛直加速度模型等。海浪譜是海浪的重要統(tǒng)計(jì)性質(zhì),通過它可以得到固定點(diǎn)海浪組成波能量相對(duì)于頻率的分布。已有的海浪譜都以風(fēng)要素或波浪要素為參量,是經(jīng)驗(yàn)的或半經(jīng)驗(yàn)半理論的。隨著合成孔徑雷達(dá)成像(SAR)技術(shù)的成熟,利用海面的SAR圖像反演海浪譜越來越受到人們的重視。

該方法提出的海浪模型包括二維海浪模型和三維海浪模型。此處著重介紹三維海浪模型,Jensen、Tessendorf分別詳細(xì)描述了利用海洋統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?采用一系列的正弦波的疊加來模擬海面,通過FFT(快速傅里葉變換)快速生成一個(gè)類似海浪譜分布的高度場(chǎng)模擬海浪的方法。此方法具有一定的真實(shí)感。謝薇、李暉采用雙疊加法模型作為理想狀態(tài)下海浪的波形模型,通過海浪譜確定海浪模型中的隨機(jī)變量。既考慮了海浪的隨機(jī)性,又基于一定的物理特征,在對(duì)海仿真中給人以更好的真實(shí)感。賈俊濤采用Phillips譜分析,提出2DFFT方法,提高了海浪仿真中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的生成效率,并且可以生成不同分辨率的海浪波高。元健勝在賈俊濤的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了一些微小的改動(dòng),使得海浪的波峰變得尖銳,波谷更為平坦,使模擬的圖像逼真度進(jìn)一步提高。曾凡濤提出了譜紋理坐標(biāo)移動(dòng)的模擬。Jocelyn采用基于海浪譜的Gerstner模型和傅立葉變換的方法,來模擬深水域的波浪。祝力提出了用合成波加細(xì)碎波的方法進(jìn)行海浪的動(dòng)態(tài)仿真,著重分析利用對(duì)合成波參數(shù)進(jìn)行修正的方法來增強(qiáng)模擬風(fēng)浪的真實(shí)效果,海浪模擬圖例說明了該仿真方法可行。在雷達(dá)回波仿真領(lǐng)域中,關(guān)于海浪建模,常使用的是二尺度海面模型,即假定海浪由大尺度波長波浪以及疊加在其上的小尺度波細(xì)浪、紋波等微尺度波組成,小尺度波由海譜統(tǒng)計(jì)描述,大尺度波根據(jù)線性海浪理論的線性模型描述。

上述利用線性模型進(jìn)行建模的方法叫線性疊加法。其概念清晰,方法簡(jiǎn)單。但計(jì)算量太大,實(shí)時(shí)性較差;同時(shí)由于這類方法是基于小振幅波的線性疊加,因此生成的波形比較圓滑,與真實(shí)的海浪(真實(shí)的海浪波峰較尖,而波谷較長)相比逼真性較差;而且線性疊加法不能模擬卷風(fēng)波。

基于海浪譜的建模方法中還有線性過濾方法。所謂線性過濾法就是根據(jù)要模擬的海浪譜,設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器,在這個(gè)濾波器的一端輸入已知的隨機(jī)過程(通常采用白噪聲),再濾波器的輸出端,即可得到所需模擬的波面方程。由于在濾波的過程中不能帶入位置信息而只能得到固定點(diǎn)的波高序列;而且這類方法的海浪波高序列的譜特性與真實(shí)海浪譜還有較大的差異,所以該方法沒有的得到廣泛的應(yīng)用。

3.3 幾何模型建模

這類方法從海浪的幾何形態(tài)出發(fā),根據(jù)海浪呈現(xiàn)的幾何形狀,采用幾何的曲線或曲面來表示海浪表面,人為的設(shè)置波浪的各屬性參數(shù)值,從而在計(jì)算機(jī)上產(chǎn)生各類海浪數(shù)據(jù)。此項(xiàng)建模技術(shù)的典型方法有凹凸映射法、基于Stokes模型的建模方法、基于Peachey模型的建模方法以及基于Gerstner模型的建模方法等。凹凸映射方法(bumpmap-ping)就是通過對(duì)表面法向量進(jìn)行擾動(dòng),獲得真實(shí)的粗糙表面紋理。Pozzer等人采用凹凸映射方法對(duì)海浪建模。這類方法比在光滑表面添加紋理要好,因?yàn)樵诠饣砻嫣砑蛹y理生成的表面仍十分光滑,但它不能生成真實(shí)感較強(qiáng)的海面,逼真性較差。

3.4 動(dòng)力模型建模

基于動(dòng)力模型的建模方法從運(yùn)動(dòng)的角度模擬海浪,它并不是簡(jiǎn)單的追求海浪的形態(tài),而是用單個(gè)的運(yùn)動(dòng)的粒子或是劃分單元來表示海浪的總體形狀和特征的動(dòng)態(tài)變化。目前比較有代表性的是細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法和粒子系統(tǒng)方法。

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