波浪模型SWAN学习（1）——模型编译与波浪折射模拟（Test of the refraction formulation）

SWAN模型编译与波浪折射模拟（Test of the refraction formulation）

编译过程
算例简介
参数文件
- 文件头（HEADING）
- 计算区域和网格
- 地形数据
- 边界条件
- 物理模块设置
- 输出设置
- 执行参数
模拟结果

由于工作原因，最近开始接触波浪模型，所以学习一下SWAN，顺便做个记录、

SWAN是由Delft大学开发的第三代波浪模型，它基于动谱平衡方程，考虑了波-波的非线性作用，对近海、
与模型原理相关的内容详见以下论文：

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模型支持结构化矩形网格、曲边矩形网格、非结构化三角形网格。本人暂时从简单的结构化矩形网格开始学习。

希望大家能留言，来相互交流！

SWAN主页：https://swanmodel.sourceforge.io/
用户手册：https://swanmodel.sourceforge.io/online_doc/swanuse/swanuse.html
原理手册：https://swanmodel.sourceforge.io/

编译过程

这里主要介绍SWAN模型在windows系统下WSL子系统环境中的编译过程。该过程与swash模型代码的编译过程类似（详见在windows 11的WSL上上编译SWASH模型）。

本次尝试所使用的平台是windows 11系统下的ubuntu 18.04.6 LTS子系统，代码版本为swan41.45（下载链接）。

编译代码前我们需要安装gfortran和MPI库。安装指令如下

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

之后，再安装编译代码所需的make工具：

sudo apt-get install make

首先，解压代码包文件，并在wsl输入指令以进入该文件夹。之后，输入make config以形成新的macro.inc文件（暂不涉及NETCDF库的运用）。
接下来，我们将通过make ser(串行)或make mpi(并行)生成可执行文件 swan.exe。

并行运行swan程序的指令格式如下：

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

其中，[inputfile]表示.sws文件的名称，n表示并行的线程数。

串行运行swan程序的指令格式如下：

./swashrun -input [inputfile]

算例简介

该算例模拟了一个理想的方形区域中波浪触壁折射等过程。该算例的输入文件可在SWAN官网下载，下载连接是https://swanmodel.sourceforge.io/download/zip/refrac.tar.gz。

参数文件

参数文件或控制文件.swn包含文件头（HEADING）、输入（MODEL INPUT）和输出（OUTPUT REQUESTS）这三部分，最终以STOP指令表示结束。$ 或 ! 符号表示注释，即以 $ 或 ! 开头的行不会被读取，仅有注释作用。
其中文件头包含了算例的名称；输入部分包含了网格、初始条件、边界条件、数值方法等；输出部分定义了文件格式、输出次数等。

文件头（HEADING）

在本算例控制文件a11refr.swn中，文件头如下：

PROJ 'a11refr' 'A11'

它表示了模拟算例的名称为‘a11refr’，模拟的组次为A11。

此外，文件头部通常还包括了SET、MODE等指令，用于设置模拟参数等，本例中暂不介绍，都采用默认值。值得注意的是，MODE指令设置了模拟的空间维度与运行模式，如下图所示；在默认情况下，模拟是平面二维的稳态模拟。
在这里插入图片描述

计算区域和网格

设置计算区域与网格的指令如下：
在这里插入图片描述

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

模型采用结构化的矩形网格（默认REGular），前三个参数分别为表示计算域原点的坐标及计算域与x轴正方向的夹角；在本算例中，这三个参数均为零，即计算域的长宽方向分别于x、y轴正方向平行，且计算域原点于笛卡尔坐标系原点一致。
模型在x、y方向上的长度分别为xlenc = 20000.0 m和ylenc = 4000.0 m，x、y方向上的网格数分别是25和100个。
模型并未模拟全波向（CIRcle，即模拟了0 ~ 360°方向上所有波的谱）的波浪，而只考虑了部分波向上的波浪（SECtor）；在本算例中，模型计算了80 ~ 130°方向上的波浪，并将该方向均分了mdc = 100个小份进行离散。在频率上，模型考虑了频率范围在 0.05 ~ 0.25 Hz的波浪，msc = 40 表示频域上离散的网格数。
值得注意的是，除频域外，其余部分的离散方式都采用均匀离散，而频域上采用等比数列的方式离散。以本算例为例，离散后的频域为：

    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

地形数据

地形数据通过以下指令读入：

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

在这里插入图片描述
首先通过INPGRID定义了一个地形数据的网格，这个网格区域的原点也是（0.0, 0.0），并且它的长度方向与x轴的夹角为0；地形数据在x、y方向上的范围分别有20000 m、4000 m。
数据文件通过READINP指令从a11refr.bot文件中读入，读入数据都变成原数据的fac = 1.0倍，数据文件中不包含heading（nhedf = 0）。此外，数据格式的形式为第一类（idla = 1）。
在这里插入图片描述
结合.bot文件中的数据可知，本算例的地形如下图所示。

边界条件

设置模型边界条件的指令如下：

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

设置模型边界需要两步。首先，指定边界处的波浪谱，如下所示。本算例选择了高斯谱（GAUSS），并指定了其中的参数 $σfr=0.01\sigma_{fr}=0.01$ ，指定谱峰周期为波浪的特征周期，入射波在波向上的分布采用POWER形式。在此情况下，入射波的方向在一定范围内呈摆动的状态。
在这里插入图片描述
第二步是设置设置边界条件的添加位置，如下图所示。在本算例中，边界被添加到南边界上；边界处的波浪参数设置为恒定状态，并指定了特征波高为1.0 m，谱峰周期为10.0 s，谱峰波浪的方向为120°，POWER模式中的系数值m = 500。
在这里插入图片描述

物理模块设置

OFF QUAD
OFF BREA
OFF WCAP

本算例关闭了三个模块，即不考虑四波相互作用（QUAD）、不考虑水深变化所致波浪破碎（BREA）、不考虑白浪耗散（WCAP）。

输出设置

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

本次模拟将输出一个a11ref01.tab文件，该文件将输出在结束时刻，线段(10000,0) - (10000, 4000)上的101个100等分点上的物理量。这些物理量包含与(10000,0)的距离、特征波高、平均波周期（绝对）、平均波向、水深、峰值波高（相对值），共六列数据。

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

在这里插入图片描述
本次模拟还将输出一系列点上物理量的时间序列，这些点的坐标详见a11refr.loc文件。输出数据包括一个一维的谱数据文件a11ref01.spc、一个数据列表文件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（基于波能谱）、平均波周期（基于上跨零点）、无量纲的频谱范围宽度。

执行参数

TEST 1,0
COMPUTE
STOP

由于本算例是恒定条件运行，因此没有设置起止时间、时间步长等参数，仅写入COMPUTE指令即可。

模拟结果

以下对比了模拟所得特征波高（H_s）、平均波向（Dir）结果与对应的解析解结果，如下图所示。图中的红色圆圈表示模拟值，黑线表示解析值。解析解数据在输入文件压缩包中。
在这里插入图片描述

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

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