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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 .
2、22 第四章 模型文件 . 23 4.1 基本参数设置 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
3、科氏力 (Coriolis Force) 37 MIKE 模型水利数值模拟计算技术应用教程 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 Condi
4、tions) 61 4.2.15 边界条件 (Boundary Conditions) . 62 4.2.16 温度/盐度模块 (Temperature/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
5、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
6、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
7、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 = + + （
8、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
9、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 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
10、，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。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
11、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 模型水利数值模拟计算技术应用教程 4 2 00000 2 00000
12、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
13、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
14、）时间积分 考虑方程的一般形式 ( ) 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
15、 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
