利用 CFD 預測、建模和緩解海嘯，打造更安全的明天

Fidelity CFD

2023年4月25日 21:29

2023 年 4 月 20 日? 6 分鐘閱讀

嚴重的熱浪、頻繁的干旱、洪水、融化的冰蓋和帶有酸性海水的溫暖海洋都是氣候變化及其劇烈影響的跡象。這不是我們星球上的第一次；在過去的 100 萬年中，地球每隔 10 萬年就經歷了這些冰川期和間冰期. 所以，我們可以放心，地球會生存下來，進化變化也會隨之而來，但讓我們感到不安的是，氣候變化可能會消滅人類并擾亂生態系統。使用先進的模擬工具對氣候變化的一些結果進行預測和建模，可以在應對氣候變化方面邁出積極的一步。在這里，我們詳細闡述了計算流體動力學 (CFD) 工具如何幫助預測和模擬海嘯的產生、傳播和緩解，以實現更安全的明天，特別是針對沿海地區居民的安全和建設集群。

利用 CFD 預測、建模和緩解海嘯，打造更安全的明天的圖1

海嘯如何成為氣候變化的結果？

一個主要的氣候變化變量是地表水，它可能是雪水或雨水。隨著溫度升高，高海拔地區的凍土開始融化，導致空中和海底滑坡，最終形成海嘯。世界上最大的海嘯之一發生在阿拉斯加，由于永久凍土或凍土融化，引發山體滑坡，將 1.8 億噸巖石送入峽灣（U 形山谷），引發 193 米高的海嘯。根據中國澳門的一項研究，海平面上升 50 厘米將使海嘯引發洪水的頻率增加一倍。穿過海底或海底的大型淺層地震也可能導致海嘯。這些海嘯是氣候變化的間接后果。

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當火流星體撞擊地球表面時，也會形成海嘯。例如，希克蘇魯伯海嘯發生在 6600 萬年前，當時一顆希克蘇魯伯小行星撞擊尤卡坦半島附近的地球表面。值得注意的是，這次全球海嘯比任何現代海嘯強約 30,000 倍。白堊紀古近紀的生物大滅絕就是針對這場巨大的海嘯。為了更好地了解希克蘇魯伯沖擊海嘯，密歇根大學的一組研究人員使用 hydrocode 來模擬和研究水和沉積物在開始后的前 10 分鐘內的位移。研究結果，即上白堊紀海洋沉積物分布，與模型結果一致，證實這些模擬研究是海嘯預測的突破。

用于海嘯建模的 CFD 模擬

在 CFD 出現之前，許多海嘯研究使用 2D 和 3D 實驗來評估控制因素及其影響。后來基于這些研究，開發了數值模型。2019 年，Kim 和他的研究人員基于 Navier Stokes 方程和流體體積法開發了TSUNAMI3D 數值模型。通過將結果與一組陸上滑坡實驗進行比較，該模型得到了驗證。這種數值模型為理解和生成復雜的非線性波傳播提供了基礎。

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隨著旨在保護日本東北海岸的隔離墻倒塌，人們強烈感受到對先進海嘯模型和模擬技術的需求。可以使用 CFD 模擬結果研究海嘯對周圍環境的影響和可能的可持續保護解決方案。使用大渦模擬 (LES) 等高保真湍流模型進行海嘯建模可以更深入地了解海嘯風險和內陸傳播。此外，這些模擬還可以深入了解各種海嘯保護解決方案的抵抗能力。從一些 CFD 研究中，人們注意到植被、地形和沿海地貌對海嘯傳播的范圍有影響。

使用 Fidelity Fine Marine 進行海嘯建模

CFD 模擬因其多功能性、準確性和周轉時間而廣泛用于地球物理學和海浪研究。由于氣候變化已成為時下話題，CFD 在滑坡和海嘯建模中找到了自己的一席之地。Cadence Fidelity Fine Marine可以生成海嘯波高的水動力流模擬及其對沿海建筑群的相應影響。這些模擬基于雷諾平均 Navier-Stokes 方程，使用具有波浪破碎的完整海嘯規模的湍流模型。了解影響可以制定各種策略來減少傷亡：