CFD技术：预测海啸、建模与缓解策略，共筑安全防线

严重的热浪、频繁的干旱、洪水、融化的冰盖和带有酸性海水的温暖海洋都是气候变化及其剧烈影响的迹象。这不是我们星球上的第一次；在过去的 100 万年中，地球每隔 10 万年就经历了这些冰川期和间冰期. 所以，我们可以放心，地球会生存下来，进化变化也会随之而来，但让我们感到不安的是，气候变化可能会消灭人类并扰乱生态系统。使用先进的模拟工具对气候变化的一些结果进行预测和建模，可以在应对气候变化方面迈出积极的一步。在这里，我们详细阐述了计算流体动力学 (CFD) 工具如何帮助预测和模拟海啸的产生、传播和缓解，以实现更安全的明天，特别是针对沿海地区居民的安全和建设集群。

海啸如何成为气候变化的结果？

一个主要的气候变化变量是地表水，它可能是雪水或雨水。随着温度升高，高海拔地区的冻土开始融化，导致空中和海底滑坡，最终形成海啸。世界上最大的海啸之一发生在阿拉斯加，由于永久冻土或冻土融化，引发山体滑坡，将 1.8 亿吨岩石送入峡湾（U 形山谷），引发 193 米高的海啸。根据中国澳门的一项研究，海平面上升 50 厘米将使海啸引发洪水的频率增加一倍。穿过海底或海底的大型浅层地震也可能导致海啸。这些海啸是气候变化的间接后果。

当火流星体撞击地球表面时，也会形成海啸。例如，希克苏鲁伯海啸发生在 6600 万年前，当时一颗希克苏鲁伯小行星撞击尤卡坦半岛附近的地球表面。值得注意的是，这次全球海啸比任何现代海啸强约 30,000 倍。白垩纪古近纪的生物大灭绝就是针对这场巨大的海啸。为了更好地了解希克苏鲁伯冲击海啸，密歇根大学的一组研究人员使用 hydrocode 来模拟和研究水和沉积物在开始后的前 10 分钟内的位移。研究结果，即上白垩纪海洋沉积物分布，与模型结果一致，证实这些模拟研究是海啸预测的突破。

用于海啸建模的 CFD 模拟

在 CFD 出现之前，许多海啸研究使用 2D 和 3D 实验来评估控制因素及其影响。后来基于这些研究，开发了数值模型。2019 年，Kim 和他的研究人员基于 Navier Stokes 方程和流体体积法开发了TSUNAMI3D 数值模型。通过将结果与一组陆上滑坡实验进行比较，该模型得到了验证。这种数值模型为理解和生成复杂的非线性波传播提供了基础。

随着旨在保护日本东北海岸的隔离墙倒塌，人们强烈感受到对先进海啸模型和模拟技术的需求。可以使用 CFD 模拟结果研究海啸对周围环境的影响和可能的可持续保护解决方案。使用大涡模拟 (LES) 等高保真湍流模型进行海啸建模可以更深入地了解海啸风险和内陆传播。此外，这些模拟还可以深入了解各种海啸保护解决方案的抵抗能力。从一些 CFD 研究中，人们注意到植被、地形和沿海地貌对海啸传播的范围有影响。

使用 Fidelity Fine Marine 进行海啸建模

CFD 模拟因其多功能性、准确性和周转时间而广泛用于地球物理学和海浪研究。由于气候变化已成为时下话题，CFD 在滑坡和海啸建模中找到了自己的一席之地。Cadence Fidelity Fine Marine可以生成海啸波高的水动力流模拟及其对沿海建筑群的相应影响。这些模拟基于雷诺平均 Navier-Stokes 方程，使用具有波浪破碎的完整海啸规模的湍流模型。了解影响可以制定各种策略来减少伤亡：

• 海岸结构设计
• 未来的海啸缓解
• 沿海建筑施工标准参数的建立
• 预定义的疏散路线

Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya 的海洋技术学院使用 Fidelity Fine Marine生成了波高 5 米和 8 米的海啸模拟，如下图所示。

浪高：5m

浪高：8m

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