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)、計算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用、雷達(dá)回波模擬等領(lǐng)域中凸現(xiàn)出重要價值。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)場環(huán)境仿真研究、海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行控制實驗、海面回波仿真、雷達(dá)成像模擬研究等,為作戰(zhàn)平臺的仿真開發(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,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)生要滿足三個條件:1)必須存在一個不受擾動的平穩(wěn)狀態(tài);2)必須存在破壞平衡的擾動;3)必須存在一個恢復(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)原時發(fā)生振動,此時即為海面上產(chǎn)生的漣漪,為海浪的起始時期。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。此時逼使水面復(fù)原而產(chǎn)生波動的力為重力,故稱為重力波。如果風(fēng)速保持不變,則揚波域的風(fēng)浪不再變化。實際的開闊大洋上,由于氣壓系統(tǒng)的移動和流場的不斷變化,不容易出現(xiàn)較長時間穩(wěn)定的風(fēng)向、風(fēng)速對波浪發(fā)生作用,充分成長的風(fēng)浪也不會經(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,海浪不再成長,并脫離揚波域向靜水域前進(jìn),即成為涌浪。此時己不能由風(fēng)中取得能量,同時更因海水的粘滯性而生的內(nèi)部摩擦及波浪前進(jìn)時的相對風(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條件下產(chǎn)生碎波。

3,建模方法

海浪作為一類復(fù)雜的自然現(xiàn)象,波動規(guī)律十分復(fù)雜,在時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)點在各個時刻的狀態(tài)來生成海浪,而不是直接模擬海浪的運動,這類方法可以稱之為基于物理的方法。Kass等人通過簡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,將水體分成一個個水柱,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方程會自動產(chǎn)生波浪,真實的表現(xiàn)了流體的運動效果,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),提出了一個基于物理模型的模擬流水和波浪的計算機(jī)動畫方法,通過調(diào)整方程的初始條件,可以比較真實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從而更加真實全面地模擬了流體運動。Geof-freyIrving[11]則沒有用傳統(tǒng)的高度場的方法,而采用三維N-S方程自由表面解來模擬整個水體頂層表面。Mihalef[12]也從N-S方程出發(fā)提出了一類切片法,先構(gòu)建一個二維垂直碎浪切片庫,之后而從這個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,適用范圍較為廣泛。但是該方法的求解過程非常復(fù)雜,計算量往往很大,效率較低,在普通計算機(jī)上生成一幅圖像需要很長的時間,不適用于實時的海浪生成。

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單的波形函數(shù),且波形函數(shù)中的各項參數(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)計性質(zhì),通過它可以得到固定點海浪組成波能量相對于頻率的分布。已有的海浪譜都以風(fēng)要素或波浪要素為參量,是經(jīng)驗的或半經(jīng)驗半理論的。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)計和經(jīng)驗?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)快速生成一個類似海浪譜分布的高度場模擬海浪的方法。此方法具有一定的真實感。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,在對海仿真中給人以更好的真實感。賈俊濤采用Phillips譜分析,提出2DFFT方法,提高了海浪仿真中動態(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)上對模型進(jìn)行了一些微小的改動,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)行海浪的動態(tài)仿真,著重分析利用對合成波參數(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,方法簡單。但計算量太大,實時性較差;同時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,與真實的海浪(真實的海浪波峰較尖,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)計一個濾波器,在這個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,從而在計算機(jī)上產(chǎn)生各類海浪數(shù)據(jù)。此項建模技術(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)就是通過對表面法向量進(jìn)行擾動,獲得真實的粗糙表面紋理。Pozzer等人采用凹凸映射方法對海浪建模。這類方法比在光滑表面添加紋理要好,因為在光滑表面添加紋理生成的表面仍十分光滑,但它不能生成真實感較強(qiáng)的海面,逼真性較差。

3.4 動力模型建模

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

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