实例介绍
【实例简介】
不错的MIKE21中文教程，主要介绍MIKE21水动力模块方面的内容
Www.Zlvo.Com 42.7风场( Wind forcing) ···;;;· 36 注意: 42.8冰盖( ce coverage) 4.2.9引潮势( Tidal potential) 42.10降水-蒸发( Precipitation- Evaporation)… .41 42.1波浪辐射应力( Wave radiation) 42 4212源( Sources 43 42.13水工结构物( Structures) 45 4.2.14初始条件( nitial conditions) 42.15边界条件( Boundary conditions) 61 42.16温度/盐度模块 (Tcmpcraturc/Salinity Module) 67 42.17湍流模块( Turbulence module) 42.8解耜( Decoupling)…. …67 42.9输出( Outputs)… 特别说明:本手册部分内容来源于网络。 Www.Zlvo.Com 第一章模型介绍 11简介 MIKE21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。MIKE21为工程应用、海岸管理及规划提 供了完备、有效的设计环境。高级图形川户界面与高效的计算引擎的结合使得 MIKE2I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MIKE21,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,在丬面二维白由表面流 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。 12MIKE21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、后攵理功能。在前处理方面,能根据地形瓷料进行计 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、模块及许可选择确俫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, Www.Zlvo.Com 被推荐为河流、湖泊、河∏和海岸水流的二维仿真模拟工具。 1.3水动力模块原理 131控制方程 模型是基于三向不可压缩和 Reynolds值均布的 Navier-SLokes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 Ch Chu chv hS Chu ah auv an h 6x+=1-a=欧 h-a (1-2 2pa ax po po p h)+-(h12)+hu,S chv chuy chv fuh-gh an h ap ay po ay gh ap 2 Po ay Po po po、ax 11)+hS 式中:t为时间:x,y为笛卡尔坐标系坐标;n为水位;d为静止水深;h=n+d 为总水深;tn,v分别为x,y方向上的速度分量;f是哥氏力系数,f=2 osin p, (为地球白转角速度,为当地纬度;g为重力加速度;p为水的密度;Sx、S S分别为辐射应力分量;S为源项;(uy,ν)为源项水流流速。 字母上带横杠的是平均值。例如,矿、ν为沿水深平均的流速,由以下公式 定义 hu= udz, hv dz Www.Zlvo.Com 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: T=2A 2A 13,2数值解法 )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 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MKE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 上(U)=S(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 OU O(F-F)O(FY-Fy) S (1-7) 式中:上标/和分别为无粘性的和粘性的通量。各项分别如下: 0 h Cu +g( F huy Ou C ha 0 Fk=lhA ol hu g h42 Www.Zlvo.Com ad h2 th Pu cy Po gn+fuh pe gn op y thi Po oy Po 对方程(46)第i个单元积分,并运用 Gauss原理重写可得出 「a(Fa)-JA (1-9) 式中:A1为单元g2的面积;I;为单元的边界;ds为沿着边界的积分变量 这里使用单太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 点求积法水计算边界积分,方程(49)可以写为 ∑FnAT=S (1-10) 式中:U和S分别为第个单元的U和S的平均值,并位于单元中心;NS是 单元的边界数;^厂,为第j个单元的长度 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Roc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,空间准確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 考虑方程的一般形式 aU =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Euer方法 Un1=Un+△G(Un) (1-12) 式中: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 Www.Zlvo.Com 方法 n12=Un+△G(U,) Un+1=Un+△G(Un+12) (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是水位过程 3)千湿边界 处理动边界问题(T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 以及只考恳质量通量来实现。只有当深度足够小时,计算不考虑该网格屮元。 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hn,且另一边水深必须大于h;第二,水深小于hn的单元的静水深加上 另一单元表面高程水位必须大于零。 满足下亩两个条件单元会被定义为干单元:首先单元中的水深必须小于干水 深hn;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。 单儿破定义为半干:如果单元水深介于h和hm之间,或是当水深小于hy 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ha。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τ湿边交替区,为了避免模型计算岀现不稳定性, 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 Www.Zlvo.Com ( drying depth),淹没深度( flooding water depth)和湿水深( wetting depth) 者必须满足hn<hn<h 应注意的是,对于值很小的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 当水深小于深度的时候,会被冻结而不参与计算。淹没深度是用米检测网格单 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,模型中仼一格单元的总水深小于零,模型使会发散,模型 计算也会因此中断 第二章模型构建 21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比较大的参数,如果没有实测糙率,则需要根据历史水 文数据,对结果进行率定,进而确定糙率。 (4)其它 主要包括波浪、风以及淜位等数据资料,如果只计算HD模块,大部分情况 下,这些资料不需要。 6 Www.Zlvo.Com 2,2建模步骤 第一步准备地形数据,水文数据等,确定计算范围 第二步用 MIKE Zero当中 Mesh generator生成mcsh文件。(具体步骤见第 三章) 园 INew File Product Types Documents 昌 O MIKE Zer oau iyineuies (bats) (mza) Ecolab) OMIKE 11 G MIKE 21 O MIKE 3 白ME21/3 Integrated Mo G LITPACK Auto EVA Editor 白 MIKE FL0D Calibrat eva Generator dn 白MSHE Mesh Generator OK Cancel 第三步建立时问序列文件用作边界条件 New File Product Types Documents: D- MIKE Zero MIKE 11 MIKE 21 Time Series Profile Series Data Manager 白MK3 (dso) (dfs 1) (dfs,. mes. 肛21/3 Integrated Mo LITPACK MIKE FLOOD MIKE SHE Grid Series Plot Composer Result Viewer Time Series Cancel 第四步在MIKE21中选择 Flow Model(m)生成模拟文件。(模拟文件中各 选项详绀说明见水动力模块教程) 【实例截图】
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Www.Zlvo.Com 42.7风场( Wind forcing) ···;;;· 36 注意: 42.8冰盖( ce coverage) 4.2.9引潮势( Tidal potential) 42.10降水-蒸发( Precipitation- Evaporation)… .41 42.1波浪辐射应力( Wave radiation) 42 4212源( Sources 43 42.13水工结构物( Structures) 45 4.2.14初始条件( nitial conditions) 42.15边界条件( Boundary conditions) 61 42.16温度/盐度模块 (Tcmpcraturc/Salinity Module) 67 42.17湍流模块( Turbulence module) 42.8解耜( Decoupling)…. …67 42.9输出( Outputs)… 特别说明:本手册部分内容来源于网络。 Www.Zlvo.Com 第一章模型介绍 11简介 MIKE21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。MIKE21为工程应用、海岸管理及规划提 供了完备、有效的设计环境。高级图形川户界面与高效的计算引擎的结合使得 MIKE2I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MIKE21,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,在丬面二维白由表面流 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。 12MIKE21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、后攵理功能。在前处理方面,能根据地形瓷料进行计 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、模块及许可选择确俫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, Www.Zlvo.Com 被推荐为河流、湖泊、河∏和海岸水流的二维仿真模拟工具。 1.3水动力模块原理 131控制方程 模型是基于三向不可压缩和 Reynolds值均布的 Navier-SLokes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 Ch Chu chv hS Chu ah auv an h 6x+=1-a=欧 h-a (1-2 2pa ax po po p h)+-(h12)+hu,S chv chuy chv fuh-gh an h ap ay po ay gh ap 2 Po ay Po po po、ax 11)+hS 式中:t为时间:x,y为笛卡尔坐标系坐标;n为水位;d为静止水深;h=n+d 为总水深;tn,v分别为x,y方向上的速度分量;f是哥氏力系数,f=2 osin p, (为地球白转角速度,为当地纬度;g为重力加速度;p为水的密度;Sx、S S分别为辐射应力分量;S为源项;(uy,ν)为源项水流流速。 字母上带横杠的是平均值。例如,矿、ν为沿水深平均的流速,由以下公式 定义 hu= udz, hv dz Www.Zlvo.Com 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: T=2A 2A 13,2数值解法 )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 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MKE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 上(U)=S(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 OU O(F-F)O(FY-Fy) S (1-7) 式中:上标/和分别为无粘性的和粘性的通量。各项分别如下: 0 h Cu +g( F huy Ou C ha 0 Fk=lhA ol hu g h42 Www.Zlvo.Com ad h2 th Pu cy Po gn+fuh pe gn op y thi Po oy Po 对方程(46)第i个单元积分,并运用 Gauss原理重写可得出 「a(Fa)-JA (1-9) 式中:A1为单元g2的面积;I;为单元的边界;ds为沿着边界的积分变量 这里使用单太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 点求积法水计算边界积分,方程(49)可以写为 ∑FnAT=S (1-10) 式中:U和S分别为第个单元的U和S的平均值,并位于单元中心;NS是 单元的边界数;^厂,为第j个单元的长度 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Roc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,空间准確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 考虑方程的一般形式 aU =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Euer方法 Un1=Un+△G(Un) (1-12) 式中: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 Www.Zlvo.Com 方法 n12=Un+△G(U,) Un+1=Un+△G(Un+12) (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是水位过程 3)千湿边界 处理动边界问题(T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 以及只考恳质量通量来实现。只有当深度足够小时,计算不考虑该网格屮元。 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hn,且另一边水深必须大于h;第二,水深小于hn的单元的静水深加上 另一单元表面高程水位必须大于零。 满足下亩两个条件单元会被定义为干单元:首先单元中的水深必须小于干水 深hn;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。 单儿破定义为半干:如果单元水深介于h和hm之间,或是当水深小于hy 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ha。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τ湿边交替区,为了避免模型计算岀现不稳定性, 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 Www.Zlvo.Com ( drying depth),淹没深度( flooding water depth)和湿水深( wetting depth) 者必须满足hn<hn<h 应注意的是,对于值很小的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 当水深小于深度的时候,会被冻结而不参与计算。淹没深度是用米检测网格单 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,模型中仼一格单元的总水深小于零,模型使会发散,模型 计算也会因此中断 第二章模型构建 21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比较大的参数,如果没有实测糙率,则需要根据历史水 文数据,对结果进行率定,进而确定糙率。 (4)其它 主要包括波浪、风以及淜位等数据资料,如果只计算HD模块,大部分情况 下,这些资料不需要。 6 Www.Zlvo.Com 2,2建模步骤 第一步准备地形数据,水文数据等,确定计算范围 第二步用 MIKE Zero当中 Mesh generator生成mcsh文件。(具体步骤见第 三章) 园 INew File Product Types Documents 昌 O MIKE Zer oau iyineuies (bats) (mza) Ecolab) OMIKE 11 G MIKE 21 O MIKE 3 白ME21/3 Integrated Mo G LITPACK Auto EVA Editor 白 MIKE FL0D Calibrat eva Generator dn 白MSHE Mesh Generator OK Cancel 第三步建立时问序列文件用作边界条件 New File Product Types Documents: D- MIKE Zero MIKE 11 MIKE 21 Time Series Profile Series Data Manager 白MK3 (dso) (dfs 1) (dfs,. mes. 肛21/3 Integrated Mo LITPACK MIKE FLOOD MIKE SHE Grid Series Plot Composer Result Viewer Time Series Cancel 第四步在MIKE21中选择 Flow Model(m)生成模拟文件。(模拟文件中各 选项详绀说明见水动力模块教程) 【实例截图】
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