波浪模型SWAN學習（1）——模型編譯與波浪折射模擬（Test of the refraction formulation）

SWAN模型編譯與波浪折射模擬（Test of the refraction formulation）

編譯過程
算例簡介
參數文件
- 文件頭（HEADING）
- 計算區域和網格
- 地形數據
- 邊界條件
- 物理模塊設置
- 輸出設置
- 執行參數
模擬結果

由于工作原因，最近開始接觸波浪模型，所以學習一下SWAN，順便做個記錄、

SWAN是由Delft大學開發的第三代波浪模型，它基于動譜平衡方程，考慮了波-波的非線性作用，對近海、
與模型原理相關的內容詳見以下論文：

Booij, N., R.C. Ris and L.H. Holthuijsen, 1999, A third-generation wave model for coastal regions, Part I, Model description and validation, J. Geophys. Res. C4, 104, 7649-7666.¹
Ris, R.C., N. Booij and L.H. Holthuijsen, 1999, A third-generation wave model for coastal regions, Part II, Verification, J. Geophys. Res. C4, 104, 7667-7681.²

目前，SWAN模型支持結構化矩形網格、曲邊矩形網格、非結構化三角形網格。本人暫時從簡單的結構化矩形網格開始學習。

希望大家能留言，來相互交流！

SWAN主頁：https://swanmodel.sourceforge.io/
用戶手冊：https://swanmodel.sourceforge.io/online_doc/swanuse/swanuse.html
原理手冊：https://swanmodel.sourceforge.io/

編譯過程

這里主要介紹SWAN模型在windows系統下WSL子系統環境中的編譯過程。該過程與swash模型代碼的編譯過程類似（詳見在windows 11的WSL上上編譯SWASH模型）。

本次嘗試所使用的平臺是windows 11系統下的ubuntu 18.04.6 LTS子系統，代碼版本為swan41.45（下載鏈接）。

編譯代碼前我們需要安裝gfortran和MPI庫。安裝指令如下

sudo apt-get update
sudo apt-get install gcc
sudo apt-get install gfortransudo apt-get install mpich

之后，再安裝編譯代碼所需的make工具：

sudo apt-get install make

首先，解壓代碼包文件，并在wsl輸入指令以進入該文件夾。之后，輸入make config以形成新的macro.inc文件（暫不涉及NETCDF庫的運用）。
接下來，我們將通過make ser(串行)或make mpi(并行)生成可執行文件 swan.exe。

并行運行swan程序的指令格式如下：

./swanrun -input [inputfile] -mpi [n]

其中，[inputfile]表示.sws文件的名稱，n表示并行的線程數。

串行運行swan程序的指令格式如下：

./swashrun -input [inputfile]

算例簡介

該算例模擬了一個理想的方形區域中波浪觸壁折射等過程。該算例的輸入文件可在SWAN官網下載，下載連接是https://swanmodel.sourceforge.io/download/zip/refrac.tar.gz。

參數文件

參數文件或控制文件.swn包含文件頭（HEADING）、輸入（MODEL INPUT）和輸出（OUTPUT REQUESTS）這三部分，最終以STOP指令表示結束。$ 或 ! 符號表示注釋，即以 $ 或 ! 開頭的行不會被讀取，僅有注釋作用。
其中文件頭包含了算例的名稱；輸入部分包含了網格、初始條件、邊界條件、數值方法等；輸出部分定義了文件格式、輸出次數等。

文件頭（HEADING）

在本算例控制文件a11refr.swn中，文件頭如下：

PROJ 'a11refr' 'A11'

它表示了模擬算例的名稱為‘a11refr’，模擬的組次為A11。

此外，文件頭部通常還包括了SET、MODE等指令，用于設置模擬參數等，本例中暫不介紹，都采用默認值。值得注意的是，MODE指令設置了模擬的空間維度與運行模式，如下圖所示；在默認情況下，模擬是平面二維的穩態模擬。
在這里插入圖片描述

計算區域和網格

設置計算區域與網格的指令如下：
在這里插入圖片描述

CGRID 0. 0. 0. 20000. 4000. 25 100 SECTOR 80. 130. 100 0.05 0.25 40

模型采用結構化的矩形網格（默認REGular），前三個參數分別為表示計算域原點的坐標及計算域與x軸正方向的夾角；在本算例中，這三個參數均為零，即計算域的長寬方向分別于x、y軸正方向平行，且計算域原點于笛卡爾坐標系原點一致。
模型在x、y方向上的長度分別為xlenc = 20000.0 m和ylenc = 4000.0 m，x、y方向上的網格數分別是25和100個。
模型并未模擬全波向（CIRcle，即模擬了0 ~ 360°方向上所有波的譜）的波浪，而只考慮了部分波向上的波浪（SECtor）；在本算例中，模型計算了80 ~ 130°方向上的波浪，并將該方向均分了mdc = 100個小份進行離散。在頻率上，模型考慮了頻率范圍在 0.05 ~ 0.25 Hz的波浪，msc = 40 表示頻域上離散的網格數。
值得注意的是，除頻域外，其余部分的離散方式都采用均勻離散，而頻域上采用等比數列的方式離散。以本算例為例，離散后的頻域為：

    0.05000.05210.05420.05640.05870.06110.06370.06630.06900.07180.07480.07780.08100.08440.08780.09140.09520.09910.10320.10740.11180.11640.12120.12610.13130.13670.14230.14820.15430.16060.16720.17400.18120.18860.19640.20440.21280.22160.23070.24010.2500

地形數據

地形數據通過以下指令讀入：

INPGRID BOTTOM 0. 0. 0. 1 1 20000. 4000.
READINP BOTTOM 1. 'a11refr.bot'  1 0 FREE

在這里插入圖片描述
首先通過INPGRID定義了一個地形數據的網格，這個網格區域的原點也是（0.0, 0.0），并且它的長度方向與x軸的夾角為0；地形數據在x、y方向上的范圍分別有20000 m、4000 m。
數據文件通過READINP指令從a11refr.bot文件中讀入，讀入數據都變成原數據的fac = 1.0倍，數據文件中不包含heading（nhedf = 0）。此外，數據格式的形式為第一類（idla = 1）。
在這里插入圖片描述
結合.bot文件中的數據可知，本算例的地形如下圖所示。

邊界條件

設置模型邊界條件的指令如下：

BOU SHAPE GAUSS 0.01 PEAK DSPR POWER
BOUN SIDE S CCW CON PAR 1. 10. 120. 500.

設置模型邊界需要兩步。首先，指定邊界處的波浪譜，如下所示。本算例選擇了高斯譜（GAUSS），并指定了其中的參數 $σfr=0.01\sigma_{fr}=0.01$ ，指定譜峰周期為波浪的特征周期，入射波在波向上的分布采用POWER形式。在此情況下，入射波的方向在一定范圍內呈擺動的狀態。
在這里插入圖片描述
第二步是設置設置邊界條件的添加位置，如下圖所示。在本算例中，邊界被添加到南邊界上；邊界處的波浪參數設置為恒定狀態，并指定了特征波高為1.0 m，譜峰周期為10.0 s，譜峰波浪的方向為120°，POWER模式中的系數值m = 500。
在這里插入圖片描述

物理模塊設置

OFF QUAD
OFF BREA
OFF WCAP

本算例關閉了三個模塊，即不考慮四波相互作用（QUAD）、不考慮水深變化所致波浪破碎（BREA）、不考慮白浪耗散（WCAP）。

輸出設置

CURVE 'CTA11' 10000. 0.  100  10000. 4000.
TABLE 'CTA11' HEAD DIST HS TM01 DIR DEP RTP DSPR
TABLE 'CTA11' NOHEAD 'a11ref01.tab' DIST HS  DIR DEP RTP

本次模擬將輸出一個a11ref01.tab文件，該文件將輸出在結束時刻，線段(10000,0) - (10000, 4000)上的101個100等分點上的物理量。這些物理量包含與(10000,0)的距離、特征波高、平均波周期（絕對）、平均波向、水深、峰值波高（相對值），共六列數據。

POINTS 'loc' FILE   'a11refr.loc'
SPEC   'loc' SPEC1D 'a11ref01.spc'
TABLE  'loc' HEAD   'a11ref01.tbl' HS RTP TM01 TM02 FSPR

在這里插入圖片描述
本次模擬還將輸出一系列點上物理量的時間序列，這些點的坐標詳見a11refr.loc文件。輸出數據包括一個一維的譜數據文件a11ref01.spc、一個數據列表文件a11ref01.tbl，文件中包含了物理量有特征波高、峰值波高、平均波周期（基于波能譜）、平均波周期（基于上跨零點）、無量綱的頻譜范圍寬度。

執行參數

TEST 1,0
COMPUTE
STOP

由于本算例是恒定條件運行，因此沒有設置起止時間、時間步長等參數，僅寫入COMPUTE指令即可。

模擬結果

以下對比了模擬所得特征波高（H_s）、平均波向（Dir）結果與對應的解析解結果，如下圖所示。圖中的紅色圓圈表示模擬值，黑線表示解析值。解析解數據在輸入文件壓縮包中。
在這里插入圖片描述

https://doi.org/10.1029/98JC02622 ??
https://doi.org/10.1029/1998JC900123 ??

本文來自互聯網用戶投稿，該文觀點僅代表作者本人，不代表本站立場。本站僅提供信息存儲空間服務，不擁有所有權，不承擔相關法律責任。
如若轉載，請注明出處：http://www.pswp.cn/news/918893.shtml
繁體地址，請注明出處：http://hk.pswp.cn/news/918893.shtml
英文地址，請注明出處：http://en.pswp.cn/news/918893.shtml

如若內容造成侵權/違法違規/事實不符，請聯系多彩編程網進行投訴反饋email:809451989@qq.com，一經查實，立即刪除！