本發明屬于海洋工程中流體動力學，尤其涉及一種具有精確頻散性波浪的生成方法。
背景技術：
1、波浪是海洋環境中廣泛存在的自然物理現象，其形成原因包括風力驅動、潮汐漲落以及氣壓變動等多個維度。通常所提及的海浪，特指由風力直接誘發的風浪，而風浪的發育規模則由風作用時長、風速大小及風作用距離（風距）共同調控。風浪隸屬于不規則波動范疇，其波形雜亂無章，傳播方向也呈現出隨機性；當這類波浪傳播至風力作用區域之外仍持續向外擴散時，便轉化為涌浪。與風浪存在顯著差異，涌浪屬于自由波動類型，具有波峰波谷規則圓滑的形態特征，且隨著與源風區距離的增加，其波形規整度會進一步提升。
2、波浪運動對近岸區域的泥沙輸移過程及岸灘地貌演化具有關鍵性影響。波浪從外海向近岸傳播的過程中，會相繼發生形態變形、能量反射、傳播方向折射以及波形破碎等一系列動力響應。波浪破碎后，會催生沿岸流、裂流等近岸環流系統，該系統與波浪運動、潮流作用相互疊加，構成復雜的波-流耦合動力環境。這一耦合環境不僅深刻制約著近岸污染物的擴散路徑，還對港口工程建設、近岸生態養殖等實際應用領域產生重要影響。
3、在海洋工程領域，精準刻畫波浪的傳播演化特征是相關研究的核心議題。目前，學術界已研發出boussinesq模型、緩坡方程模型等多種用于波浪模擬的數學模型，但這些模型在頻散特性表征、非線性效應描述以及波浪譜適用范圍等方面仍存在明顯不足。例如，boussinesq模型對頻散特性的描述采用近似計算方式，導致其在高頻波浪模擬場景中存在顯著局限性；緩坡方程模型則僅適用于規則波或窄譜域不規則波的模擬工況。而實際海洋環境中的高頻波浪與寬譜域不規則波模擬需求，對模型提出了高精度非線性表征、精確頻散特性復現以及寬譜適用性等更高要求。因此，研發一種具備高精度模擬能力的新型波浪數學模型，已成為當前海洋工程領域亟待解決的技術難題。
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，本發明提出了一種具有精確頻散性波浪的生成方法，該方法能夠克服現有海洋波浪數值模型中的計算精度較低、模型適用范圍較小的問題。
2、為實現上述目的，本發明提供了一種具有精確頻散性波浪的生成方法，包括：
3、根據待模擬海洋區域的基礎參數，確定模型計算參數；
4、根據所述模型計算參數，構建具有精確頻散性的海洋波浪數值模型，利用所述海洋波浪數值模型，生成具有精準頻散性的海浪；
5、其中，構建所述海洋波浪數值模型包括：基于歐拉方程和自由表面邊界條件，通過連續泰勒展開與傅里葉變換得到積分-微分型控制方程組，所述控制方程組包括連續性方程和動量方程，其中連續性方程引入積分-微分算子e實現寬譜波浪描述；
6、根據所述控制方程組，在動量方程中嵌入物理過程修正項，所述物理過程修正項包括水底摩擦項、湍流混合項以及波浪破碎能量耗散項；
7、根據嵌入物理過程修正項后的控制方程組，采用有限差分法進行數值離散求解，其中時間離散采用預報-校正格式，空間離散采用高階差分格式，針對積分運算采用cuda-gpu異構并行計算架構進行加速，得到自由表面升高的時空分布，實現具有精確頻散性波浪的生成。
8、可選的，所述基礎參數包括水深條件、譜峰頻率、譜峰周期、入射波浪的統計特征波高以及長周期波浪的入射方位角；
9、所述模型計算參數包括計算域范圍參數、時空分辨率參數、底摩擦系數、側向混合系數以及波浪破碎參數。
10、可選的，所述具有精確頻散性的海洋波浪數值模型為：
11、；
12、；
13、其中，為自由表面升高，為時間，為水平梯度算子，為當地靜水水深，為重力加速度，為自由表面處的水平速度矢，為量積分-微分算子。
14、可選的，所述積分-微分算子為：
15、；
16、其中， k為波數， h為當地靜水水深，為水平梯度算子， x為控制點坐標，為積分點坐標，i為虛數單位。
17、可選的，根據所述控制方程組，在動量方程中嵌入水底摩擦項包括：
18、，；
19、其中，為常數水底摩擦力系數，為 x方向的水底摩擦力，為 y方向的水底摩擦力，為總水深，為 x方向的時間平均水平速度，為 y方向的時間平均水平速度。
20、可選的，根據所述控制方程組，在動量方程中嵌入湍流混合項包括：
21、；
22、；
23、其中，為渦粘系數，為 x方向的湍流混合力?，為 y方向的湍流混合力。
24、可選的，根據所述控制方程組，在動量方程中嵌入波浪破碎能量耗散項包括：
25、；
26、；
27、其中，為 x方向的波浪破碎力，為 y方向的波浪破碎力，為波浪破碎引起的渦粘系數。
28、可選的，根據嵌入物理過程修正項后的控制方程組，采用有限差分法進行數值離散求解包括：
29、根據五階adams-bashforth格式計算預報步，得到下一時間層的預測值；
30、根據六階adams-moulton格式計算校正步，得到下一時間層的校正值；
31、根據預設誤差限判斷校正步的收斂性，當迭代次數超過閾值時，采用加權平均方法對前后兩次校正值進行修正，得到優化后的當前時間步校正值；
32、根據五點中心差分格式對空間導數項進行離散，并根據核函數的快速衰減特性，將無限積分區間轉化為有限區間進行數值積分。
33、與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：
34、1、本發明給出的新的海洋波浪模型能夠準確的描述波浪在潛堤和斜坡上傳播和破碎的強非線性特征，并且與其他模型相比能夠給出與實驗結果更為接近的各階諧波的空間分布特征。
35、2、本發明的動量方程基于歐拉方程，在推導過程中無任何近似是完全精確的，這一點與其他模型有很大的不同，這也為本模型的高精度數值算法奠定了基礎。
36、3、本發明的連續性方程基于自由表面邊界條件，可以考慮垂直渦引起的有旋流動，并具有完全精確的色散性和變淺性能。方程中不存在任何與波數相關的系數，在推導過程中也沒有對水深進行限制，因此可對任意水深下的不規則波進行研究。
37、4、本發明應用了高階數值格式對方程進行數值求解，使方程的精確色散性在數值計算中得到實現。
1.一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，所述基礎參數包括水深條件、譜峰頻率、譜峰周期、入射波浪的統計特征波高以及長周期波浪的入射方位角；
3.根據權利要求1所述的一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，所述具有精確頻散性的海洋波浪數值模型為：
4.根據權利要求1所述的一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，所述積分-微分算子為：
5.根據權利要求4所述的一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，根據所述控制方程組，在動量方程中嵌入水底摩擦項包括：
6.根據權利要求5所述的一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，根據所述控制方程組，在動量方程中嵌入湍流混合項包括：
7.根據權利要求6所述的一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，根據所述控制方程組，在動量方程中嵌入波浪破碎能量耗散項包括：
8.根據權利要求7所述的一種具有精確頻散性波浪的生成方法，其特征在于，根據嵌入物理過程修正項后的控制方程組，采用有限差分法進行數值離散求解包括：