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1、 水动力模块水动力模块 中文中文手册手册 Flow Model fm 20122012 6 6 7 7 北京北京 MIKE 模型 水利数值模拟计算技术应用教程 2 目录目录 第一章 模型介绍 1 1 1 简介 1 1 2 MIKE 21 软件特点 1 1 3 水动力模块原理 2 1 3 1 控制方程 2 1 3 2 数值解法 3 第二章 模型构建 6 2 1 基础数据 6 2 2 建模步骤 7 第三章 MESH 文件生成 8 3 1 MESH 文件生成步骤 8 3 2 常用数据格式 17 3 3 局部加密 18 3 4 北京 54 坐标投影选择 22 第四章 模型文件 23 4 1 基本参数设
2、置 23 4 1 1 模型范围 Domain 23 4 1 2 时间设置 Time 26 4 1 3 模块选择 Module selection 27 4 2 水动力模块 Hydrodynamic Module 28 4 2 1 求解格式 Solution technique 28 4 2 2 干湿边界 Flood and dry 29 4 2 3 密度 Density 31 4 2 4 涡粘系数 Eddy Viscosity 31 4 2 5 底摩擦力 Bed Resistance 35 4 2 6 科氏力 Coriolis Force 37 MIKE 模型 水利数值模拟计算技术应用教程 3
3、 4 2 7 风场 Wind Forcing 37 注意 38 4 2 8 冰盖 Ice coverage 40 4 2 9 引潮势 Tidal Potential 41 4 2 10 降水 蒸发 Precipitation Evaporation 42 4 2 11 波浪辐射应力 Wave Radiation 44 4 2 12 源 Sources 44 4 2 13 水工结构物 Structures 46 4 2 14 初始条件 Initial Conditions 61 4 2 15 边界条件 Boundary Conditions 62 4 2 16 温度 盐度模块 Temperatu
4、re Salinity Module 68 4 2 17 湍流模块 Turbulence Module 68 4 2 18 解耦 Decoupling 68 4 2 19 输出 Outputs 69 MIKE 模型 水利数值模拟计算技术应用教程 1 第一章第一章 模型介绍模型介绍 1 1 简介简介 MIKE 21 是一个专业的工程软件包 用于模拟河流 湖泊 河口 海湾 海 岸及海洋的水流 波浪 泥沙及环境 MIKE 21 为工程应用 海岸管理及规划提 供了完备 有效的设计环境 高级图形用户界面与高效的计算引擎的结合使得 MIKE21 在世界范围内成为了一个水流模拟专业技术人员不可缺少的工具 丹
5、麦水力研究所开发的平面二维数学模型 MIKE 21 曾经在丹麦 埃及 澳 洲 泰国及中国香港 台湾等国家和地区得到成功应用 在平面二维自由表面流 数值模拟方面具有强大的功能 目前该软件在中国的应用发展很快 并在一些大 型工程中广泛应用 如 长江口综合治理工程 杭州湾数值模拟 南水北调工程 重庆市城市排污评价 太湖富营养模型 香港新机场工程建设等 1 2 MIKE 21 软件特点软件特点 1 用户界面友好 属于集成的 Windows 图形界面 2 具有强大的前 后处理功能 在前处理方面 能根据地形资料进行计 算网格的划分 在后处理方面具有强大的分析功能 如流场动态演示及动画制作 计算断面流量 实
6、测与计算过程的验证 不同方案的比较等 3 多种计算网格 模块及许可选择确保用户根据自身需求来选择模型 4 可以进行热启动 当用户因各种原因需暂时中断 MIKE21 模型时 只 要在上次计算时设置了热启动文件 再次开始计算时将热启动文件调入便可继续 计算 极大地方便了计算时间有限制的用户 5 能进行干 湿节点和干 湿单元的设置 能较方便地进行滩地水流的 模拟 6 具有功能强大的卡片设置功能 可以进行多种控制性结构的设置 如 桥墩 堰 闸 涵洞等 7 可广泛地应用于二维水力学现象的研究 潮汐 水流 风暴潮 传热 盐流 水质 波浪紊动 湖震 防浪堤布置 船运 泥沙侵蚀 输移和沉积等 MIKE 模型
7、水利数值模拟计算技术应用教程 2 被推荐为河流 湖泊 河口和海岸水流的二维仿真模拟工具 1 3 水动力模块原理水动力模块原理 1 3 1 控制方程控制方程 模型是基于三向不可压缩和 Reynolds 值均布的 Navier Stokes 方程 并服从 于 Boussinesq 假定和静水压力的假定 二维非恒定浅水方程组为 hS y vh x uh t h 1 1 2 0 2 0000 1 2 a xy sxbxxx xxxys phuhuhuvh f vhgh txyxx s sgh xxy hThThu S xy h r ttr rrrr 1 2 1 3 式中 t为时间 x y为笛卡尔坐标系
8、坐标 h为水位 d为静止水深 hdh 为总水深 u v分别为 x y方向上的速度分量 f是哥氏力系数 2sinfwj w为地球自转角速度 j为当地纬度 g为重力加速度 r为水的密度 xx s xy s yy s分别为辐射应力分量 S为源项 ss u v为源项水流流速 字母上带横杠的是平均值 例如 u v为沿水深平均的流速 由以下公式 定义 d d huu z h d d hvv z h 1 4 ShvhT y hT x y s x s y gh y ph y ghhuf y vh x uvh t vh syyxy yyyxbysy a 0000 2 0 2 1 2rr t r t r r r
9、h 雷诺 纳维耶斯托克斯方程 质的各向同性的线性半 空问表面上作用一集中 力P 在线性变 形体内 任何点M 的应力分布的弹 性理论公式 MIKE 模型 水利数值模拟计算技术应用教程 3 ij T为水平粘滞应力项 包括粘性力 紊流应力和水平对流 这些量是根据 沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出的 2 xx u TA x xy uv TA yx 2 yy v TA y 1 5 1 3 2 数值解法数值解法 1 空间离散 计算区域的空间离散是用有限体积法 Finite Volume Method 将该连续统 一体细分为不重叠的单元 单元可以是任意形状的多边形 但在这里只考虑三角 形和四边形单元
10、在 MIKE 软件 2007 版本只能是三角形网格 浅水方程组的通用形式一般可以写成 t U F US U 1 6 式中 U为守恒型物理向量 F为通量向量 S为源项 在笛卡尔坐标系中 二维浅水方程组可以写为 IV IV yy xx txy FF FFU S 1 7 式中 上标I和V分别为无粘性的和粘性的通量 各项分别如下 h hu hv U 2 22 1 2 I x hu hug hd huv F 0 2 V x u hA x uv hA yx F 2 22 1 2 I y hv huv hvg hd F 0 2 V x uv hA yx v hA x F 1 8 MIKE 模型 水利数值模拟
11、计算技术应用教程 4 2 00000 2 00000 0 1 2 1 2 xy axxsxbx s yxyysyby a s s psdhgh gf vhhu xxyxy ss pdhgh gf uhhv yyyxy ttr h rrrrr tt r h rrrrr S 对方程 4 6 第i个单元积分 并运用 Gauss 原理重写可得出 ddd iii AA s t G U F nS U 1 9 式中 i A为单元 i W的面积 i G为单元的边界 ds为沿着边界的积分变量 这里使用单点求积法来计算面积的积分 该求积点位于单元的质点 同时使用中 点求积法来计算边界积分 方程 4 9 可以写为
12、1 NS i ji j i U S tA DG F n 1 10 式中 i U和 i S分别为第i个单元的U和S的平均值 并位于单元中心 NS是 单元的边界数 j DG为第j个单元的长度 一阶解法和二阶解法都可以用于空间离散求解 对于二维的情况 近似的 Riemann 解法可以用来计算单元界面的对流流动 使用 Roe 方法时 界面左边的 和右边的相关变量需要估计取值 二阶方法中 空间准确度可以通过使用线性梯 度重构的技术来获得 而平均梯度可以用由 Jawahar 和 Kamath 于 2000 年提出的 方法来估计 为了避免数值振荡 模型使用了二阶 TVD 格式 2 时间积分 考虑方程的一般形
13、式 t U G U 1 11 对于二维模拟 浅水方程的求解有两种方法 一种是低阶方法 另一种是高 阶方法 低价方法即低阶显式的 Euler 方法 1nnn tUGUUD 1 12 式中 t D 为时间步长 高阶的方法为以如下形式的使用了二阶的 Runge Kutta 黎曼 MIKE 模型 水利数值模拟计算技术应用教程 5 方法 1 2 1 2 nnn t DUUG U 11 2 nnn t DUUG U 1 13 3 边界条件 1 闭合边界 沿着闭合边界 陆地边界 所有垂直于边界流动的变量必须为 0 对于动 量方程 可以得知沿着陆地边界是完全平稳的 2 开边界 开边界条件可以指定为流量过程或者
14、是水位过程 3 干湿边界 处理动边界问题 干湿边界 的方法是基于赵棣华 1994 和 Sleigh 1998 的处理方式 当深度较小时 该问题可以被重新表述 通过将动量通量设置为零 以及只考虑质量通量来实现 只有当深度足够小时 计算不考虑该网格单元 每个单元的水深会被监测 并且单元会被定义为干 半干湿和湿 单元面也 会被监测 以确定淹没边界 满足下面两个条件单元边界被定义为淹没边界 首先单元的一边水深必须小 于 dry h 且另一边水深必须大于 flood h 第二 水深小于 dry h的单元的静水深加上 另一单元表面高程水位必须大于零 满足下面两个条件单元会被定义为干单元 首先单元中的水深必
15、须小于干水 深 dry h 另外 该单元的三个边界中没有一个是淹没边界 被定义为干的单元在 计算中会被忽略不计 单元被定义为半干 如果单元水深介于 dry h和 flood h之间 或是当水深小于 dry h 但有一个边界是淹没边界 此时动量通量被设定为 0 只有质量通量会被计算 单元会被定义为湿 如果单元水深大于 wet h 此时动量通量和质量通量都会 在计算中被考虑 如果模型中的区域是处在干湿边交替区 为了避免模型计算出现不稳定性 使用者可以启用 Flood and Dry 选项 在这个情形下使用者必须设定一个干水深 MIKE 模型 水利数值模拟计算技术应用教程 6 drying dept
16、h 淹没深度 flooding water depth 和湿水深 wetting depth dry h flood h wet h三者必须满足 dryfloodwet hhh 应注意的是 对于值很小的 wet h 在模拟过程中可能出现不符合实际的高流 速 并引起稳定问题 当某一单元的水深小于湿水深时 在此单元上的水流计算会被相应调整 而 当水深小于干深度的时候 会被冻结而不参与计算 淹没深度是用来检测网格单 元是不是己经被淹没 当水深小于湿水深的单元会做相应调整 即不计算动量方 程 经计算连续方程 在没有启用干湿边界的情况下 使用者可以设定一个小于零的最小截断水深 但在这样的情况下 模型中任一网格单元的总水深小于零 模型便会发散 模型 计算也会因此中断 第二章第二章 模型构建模型构建 2 1 基础数据基础数据 构建二维水动力模型需要的基础数据主要包括 1 地形数据 地形数据主要是指计算范围内地形地貌 这些数据可以是 DEM 电子海图 CAD 图等 但都需要前期处理才能应用于 MIKE21 中 2 水文数据 水文数据包括降雨数据 上下游边界数据 流量 水位 3 糙率 糙率是一个结果影响
