HydroInfo水力信息系统

尽管像潮流、泥沙、波浪等河口海岸工程问题的物理现象有很大差异,但进行数值模拟时,描述这些物理现象的控制方程水流运动的质量方程、动量方程和物质输运方程,是非常相似的。可在这相似的水动力学平台上组装不同的上层组块以解决不同的工程问题。比如,组装污染物质的饱和度与生物化学反应关系可以模拟环境分析问题;将处理水力学、水文学等学科的知识和信息流,同长期积累的实验与观测数据、有效的经验公式、系数与图表相结合,利用经电子封装的计算水力学的知识在计算机内作用于某一具体工程建设或工程管理的信息后,可以建立有效的水力信息系统,为河口海岸规划决策、港口与海工建筑物设计与分析及环境水利发展评价提供强有力的支持。

HydroInfo是由大连理工大学开发的计算复杂水流与输运问题的大型数值模拟软件。在理论研究,算法分析与工程应用的过程中,HydroInfo进行了大量的解析数值验证、试验室测量数据验证与原型观测数据验证,广泛的实际工程应用显示了该模型的可靠性、稳定性与并行计算的高效性。HydroInfo配备了方便灵活的前后处理功能及与其他工具软件的数据接口,便于用户的数据准备,及丰富的数据提取与动画展示。

计算模块

HydroInfo采用有限体积法立三求解水流与输运方程,大量的算例验证对比与工程应用表明,该软件具备模拟结果正确可靠,使用方便,计算效率高等特点。HYDROINFO目前包括以下几个计算模型:

1. 流域河网与管网模型

(1) 流域河网模型:适用于流域复杂河网的水流泥沙运动的高效计算。流域模型可包括库群、河网、闸堰、分布入流与集中入流。

(2) 管网模型:适用于有压与无压管网的计算。包括了水击及明满流过渡的模拟。

(3) 水面线计算:适用于恒定流问题的水面线计算。结合了遗传算法可以对河道糙率进行自动率定。

2. 二维水流泥沙波浪模型

(1) 平面二维水流泥沙:适用于河流、湖泊、河口于海岸的水流、泥沙与污染物扩散的计算模拟。采用非结构化网格下的有限体积离散,包括显示与隐式时间推进,亚格子与代数紊流模型。结合了高分辨率重构,可模拟溃坝、淹没与露摊等复杂流动问题。

(2) 波浪缓坡模型:采用缓坡方程计算波浪的传播变形与绕射反射。

(3) 波能输运模型:适用大范围的风浪传播模拟,计算分析折射与绕射导致的风浪波高波向的变化。

3. 三维自由水面流动模型

(1) 三维自由水面模拟:采用分层Euler-Lagrangian计算模式建立了平面上非结构化网格,垂向分层动网格的三维自由水面模型计算模型。模型包括静水压强与动水压强两种计算模式,其中三维动水压强模型可模拟粘性流体下的波浪传播与变形。

(2) 潮流波浪模拟:采用潮流场与波浪场相互作用模型,适用于大尺度问题。

4. 多维耦合问题

(1) 河网与平面二维浅水耦合:河网与二维浅水连接计算模型可以提高大尺度流动的计算效率。对于资料缺乏流域可采用一维河网模型,而对地形资料详细且比较关系的区域可采用二维模型。河网与二维浅水连接的分配耦合模型可提高河口及溃堤等复杂水流泥沙问题的计算模拟效率。

(2) 多维模型耦合:多维模型耦合方式的目的是保证计算分析的精度与空间分辨率的前提下,提高计算效率。当采用河网与平面二维浅水及三维自由水面模拟耦合时,重点关心的区域或流态负责区域采用三维模拟,次要区域在水深方向只采用一个分层退化为平面二维问题。

5. 泥沙与输运问题

(1) 水流泥沙问题在水库泥沙淤积、河道演变、河口海岸演变等方面具有重要意义。泥沙模型可考虑推移质,悬移质或全沙模型。由于泥沙冲淤导致地形的改变,因此泥沙模型与水流模型是耦合的

(2) 与水流相关或同水流一同运动输运过程可能包括:温度场、盐度场CODBOD等环境水流污染物。

6. 波浪传播问题

(1) 近岸波浪传播过程中折射、绕射、反射对港口等沿岸工程具有重大影响。波从深海传入沿岸地区,波浪要素在传播过程中,及其于潮流场与海工建筑物的相互常常是设计中首先需要考虑的问题。

(2) 本系统主要包含二个波浪模型,一个是缓坡方程(Mild Slope)模型,另一个是波能输运模型。其中波能输运模型可以高效地应用于大区域波浪的计算分析。

7. 流动与输运模型

(1) 流动与自由表面问题(VOF):包括二维与三维,恒定流与非恒定流,可压流与不可压流。可以应用VOF方法模拟自由水面问题,并包含了传热与自然对流、相变(结冰与融化)等专门问题。

(2) 流动与传热问题:处理传热,相变与多相流问题

(3) 可压缩流:考虑高速运动气体的压缩性。

8. 渗流与稳定模型

(1) 渗流分析:分析地下水的水头分布与浸润线。

(2) 滑弧稳定分析:分析坝体的稳定性,计算安全系数。

(3) 静力有限元分析:分析坝体内的应力与应变分布,计算坝体的剪应力水平,判断坝的稳定性及可能的失稳面,为动力分析中的动模量的计算提供基本数据。

(4) 动力反映分析:分析坝体的地震动力反应,计算在输入地震波作用下,坝体的应力,变形及加速度放大因子,及可能的液化区。

9. 城市雨洪与降雨径流模型

(1) 城市雨洪动力学模型:采用平面二维浅水方程模拟坡面径流,水动力学一维模型计算管网与河网,耦合降雨、蒸发与地下非饱和渗流,对环境水循环的全过程进行动力学模拟计算,并提供多种简化选项。

(2) 地下水渗流:采用地下水模型计算地下水渗流过程。

(3) 降雨径流模型:采用水文模型或神经网络分析预报径流过程。

 

 

 

 

.模型基础

环境水流的数学模型,一般包括以下几个方面:

1.模型选择,选择什么样的模型能够解决自己关心的问题,而且这种选择是经济的,效率高的和满足精度要求的。

2.模型的建立与求解,通常的含义是微分方程的离散与数值求解。

3.模型的验证与应用,即模型是可靠准确的,并能够用于实际工程的规划,研究,设计,预报分析或决策控制。

环境水流的数学模型研究与应用涉及流体力学与水力学,数理方程与计算方法,计算流体力学与计算水力学,计算机编程语言与开发环境等。因此,对相关知识的学习,是掌握环境水流的数学模型的基础。

 

2.1控制方程

.1流动的基本控制方程

流动与输运过程由描述质量,动量,能量守恒的积分或微分方程组控制。这些基本方程是通用的,对于不同的实际问题,只是相对应的初边值有所不同。因此,采用数值模拟技术对工程问题中的流动与输运过程进行计算分析,是一种十分经济有效的通用手段,环境水流数学模型的工程应用面是非常宽的。粗看起来,像洪水、航道、泥沙、波浪、环境污染评价这些工程问题的物理现象有很大差异,但是当采用数值模拟时,这些属于不同专业的工程问题之间的距离就缩小了,因为描述这些千差万别的物理现象的控制方程是非常相似的, 在本质上都属于流动与输运过程。

 

水流的运动规律满足以下几组方程:

1. 质量守恒定律

质量守恒定律可以表述为:控制体中质量的增加率等于单位时间内净流入量,即流入质量减去流出的质量,用数学表达可写为:

其中为流体密度,为流速,代表由封闭曲面包含的体积,上式第一项代表控制体中质量的增加率,第二项代表控制体表面的质量通量。

2. 动量守恒定律

动量守恒定律可以表述为:动量的变化率,其包括控制体内随时间的增加率及单位时间内的净流出动量,等于作用于控制体的合力,用数学表达可写为:

其中分别代表单位质量的体力与面应力。上式的本质意义就是在欧拉描述下的牛顿定律。

3.能量守恒定律

能量守恒定律可以表述为:能量变化率,包括控制体中的时间增加率及单位时间内净流出能量,等于导入的热量与合力作功之和,用数学表达可写为:

其中分别代表单位质量的总能(包括内能与动能)与单位面积的流热量。上式的左边代表欧拉描述下的总能变化率,右边前二项代表体力与面应力做功,最后项代表热流通量

在补充本构关系及状态方程后,流动的控制方程封闭,即变量的个数等于方程的个数。对于实际的流动,在给定适当的初始条件与边界条件后,问题是适定的,即解是存在且唯一。

描述流动一般规律的通用方程虽然很全面,但是由于其是高度非线性的,无论在理论上还是在数值上进行分析求解都是很困难的。因此,根据流动的特点,前人进行了多种方式的简化近似处理。如利用高雷诺数流的特点进行的无粘性流Euler近似,势流与边界层理论,不可压流近似,低雷诺数流Stokes近似等。经线性化或近似简化处理后得到的理论解,不仅对认识流动规律有意义,而且对于数值计算的检验也有重要价值。另外,通过适当简化近似的数学模型可以经济快速地解决工程问题,也满足分析精度的要求。

对于环境流动问题,针对不同问题的特点,多年来广泛应用及近年来不断完善发展的数学模型非常多,如:圣维南方程组,平面二维浅水模型,三维静压模型,短波Boussinesq方程,工程泥沙模型等。

上述基本方程也常表述成如下形式的通用守恒方程:

 

5.1

 

其中,,可以代表质量、动量、能量、及其它对流-扩散输运变量。

描述流动一般规律的通用方程虽然很全面,但是由于其是高度非线性的,无论在理论上还是在数值上进行分析求解都是很困难的。因此,根据流动的特点,前人进行了多种方式的简化近似处理。如利用高雷诺数流的特点进行的无粘流Euler近似,势流与边界层理论,不可压流近似,低雷诺数流Stokes近似等。经线性化或近似简化处理后得到的理论解,不仅对认识流动规律有意义,而且对于数值计算的检验也有重要价值。另外,通过适当简化近似的数学模型可以经济快速地解决工程问题,也满足分析精度的要求。

对于环境流动问题,针对问题几何尺度的特点,多年来广泛应用的数学模型非常多,如:维圣维南方程组,平面二维浅水模型,三维静压模型,动水压强模型,短波Boussinesq方程,工程泥沙模型等。计算模块将库群、河网、泄水建筑物、堤坝、蓄滞洪区与淹没区等作为大系统统一处理,根据实际问题的特点及空间分辨率要求,可以采用分区动态耦合算法分别采用水量平衡关系、河网一维、平面二维的流动、自由表面三维的流动与输运微分方程组作为控制方程。利用系统的分解协调算法,不仅有利于分析子系统的耦合影响与相互作用,而且能够建立基于网络计算的实时预报与决策系统。

多维耦合的目的是用较小的计算量取得较高的计算精度,对于重点关心的区域可以采用二维或三维模型进行细致的模拟计算;而对于大空间尺度且基础资料(如详细的河道地形图)相对缺乏的区域,可以采用河网一维模型计算。当重点关心的区域缺少合适的水位或流量边界条件时,采用多维耦合可以较好地将远外边界的实际边界信息反映到重点关心的工程区。

传统的分区计算方法多是静态的,较难考虑多区域的强相互作用,且常引起分区迭代的发散。HydroInfo利用子结构叠加概念,对一维河道与平面二维河口的匹配连接中的水位与含沙量计算采用动态耦合算法,以增强分区匹配耦合的计算稳定性。

2.2本构关系

根据具体问题的特点,对描述流动的基本控制方程进行适当的简化,有利于发现问题的本质。因此,对不同的问题进行分类处理时常是有必要的,就好像如果要求望远镜同时具备显微镜的功能,那就太难了。

实际流动常常是不稳定或动态稳定的,如紊流。对紊流尺度的非线性相关引入各种紊流模型,按照连续介质力学的观点,可以认为某种形式的本构关系。其它的本构关系包括:

.按照谢才公式根据糙率计算底部与边壁的剪应力。

.按照量纲分析与模型试验确定的半理论公式与半经验系数计算闸堰、阀门、泵站等。

.按照挟沙力公式计算床底的悬沙交换

.按照推移质泥沙率公式计算底床变形

.按照Bousinisque假设计算异重流输运与温度场自由对流

.按照生化反应方程计算环境输运量的源项,以表达环境输运参数的生长、衰减与转化。

 

2.3网格与离散方法

2.3.1 离散求解概念

虽然环境流动问题的数学模型形式不同,但是从数学的角度上看都是偏微分方程组。离散就是把微分方程转化为近似等效的很多个代数方程的方法,然后利用计算机计算代数式。从这种意义上讲,数值模拟就是把一个复杂的问题转化为一系列简单的问题。实际上计算机的工作原理也是类似的,即把代数运算最后转变为大量的二进制操作。

从计算精度上讲,数学模型实际上包含了两个方面的意义:一方面是数学模型的微分方程与实际物理过程的近似程度,在选定了微分方程后,就是认可了控制方程对物理问题的近似误差。另一方面数学模型还包含离散后的代数方程与微分方程的近似程度。当满足误差要求时,则可称离散是相容的。对于线性问题,Lax证明了相容且稳定的计算方法是收敛的,Lax定理是离散计算的理论基础。对于非线性问题,相容性与稳定性虽然不一定是充分的,却是必要的。

网格与离散方法

    离散方法主要有有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法及谱方法等,实际上,从微分方程的弱解或广义加权余量法的角度来讲,各种离散方法是相通的。离散的共同点是首先把计算域划分为若干简单的几何域,虽然这里所说的若干可能比较多,但毕竟是有限的,这也许是有限差分等离散方法名称的来历。由简单的多边形或多面体描述的计算域构成了网格,网格可以是结构化的,也可以是非结构化的。通常情况下,有限差分法采用的四边形或六面体结构化网格;有限元法是基于几何非结构化描述方式建立起来的;有限体积法是基于守恒律建立的离散方法。早期的有限体积法常采用是结构化的网格,近期的有限体积法大多采用非结构化网格。实际上各种离散方法也可以互相融合,如非结构化差分方法,将变量由定义于网格型心改为定义于节点建立的基于有限元的有限体积法。由于实际工程问题的计算域往往是复杂的,非结构化网格方法便于网格划分和应用,但是对于相对简单的计算域,在结构化网格往往便于采用效率较高的计算求解方法。当计算域只布置离散点,不需要明确指定离散点的拓扑关系时,可以建立所谓的无网格方法。对于某些类型的椭圆型方程,当采用边界元法时,只需要在边界上划分离散网格,因此可以简化全域离散的计算量。谱方法的离散精度高,适用机理问题及湍流的理论研究,目前很难直接应用到工程问题。

代数方程组的求解

对于时间发展方程,可以采用分离变量的方法先进行空间离散,从而构成关于时间的常微分方程组,然后在时间坐标上离散常微分方程组。当采用显式方法离散常微分方程时,只需要代数计算就可以得到所有函数的空间分布与时间发展过程。显式计算的优点是计算方法简单,尤其适合并行计算,缺点是往往对时间推进步长的限制较严。由于流体动力学偏微分方程大多具有双曲型方程的性质,函数的空间分布变化激烈甚至强间断,为提高计算精度或分辨率,往往采用大量的而且不均匀的计算网格,而显示时间推进的步长受最小网格限制,因此,采用隐式时间推挤常常是必要的。隐式时间离散及椭圆型方程离散后的代数式构成代数方程组,对非线性的偏微分方程离散则构成非线性代数方程组。非线性代数方程组的求解一般需要迭代计算,即先把非线性代数方程组改写成与其近似的线性代数方程组,然后反复求解线性代数方程组并修正线性代数方程组的系数,以期得到非线性代数方程组的解。对于数学模型而言,稳定性不仅包含离散格式的稳定性,也包含求解代数方程的稳定性。

     可以采用很多种方法求解线性代数方程组,高斯消去法。但是,当方程组的个数很多时,高斯消去法类型的直接解法包含两个缺点,一是计算量大,计算量正比于方程组个数的三次方;二是占用大量计算机存储空间。当方程组数大于2000个时,通常不建议采用直接解法。经有限差分法、有限元法、有限体积法离散后的代数方程组一般都是稀疏矩阵,对大型稀疏矩阵采用迭代求解效率会更高。迭代法包括点迭代(Jacobi , Gauss-Seidel and Succesive Over Relaxation SOR),线迭代(Successive Line Over Relaxation,及共轭梯度类方法CGSGMRSQMR)。

 

2.3.2 高分辨率格式

HydroInfo采用非结构化有限体积离散。由于有限体积法就是对守恒方程在计算域中的一系列控制体积上直接离散,因此初期的有限体积法也称为控制体积法。按加权余量法的观点,有限体积法属于子域法;初期的有限体积法大多采用结构化网格,按差分的观点,有限体积法属于守恒型差分离散。近期的有限体积法大多采用非结构化网格,如果按插值函数的连续性观点来看,有限体积法也可以看做C-1型(分片连续的间断函数)有限元法。

 

 

    

2.1 HYDROINFO三维分层有限体积网格

 

2.2 HYDROINFO平面非结构化网格

 

经空间半离散后, (5.1)可写成常微分方程组形式

这里, M代表集中质量阵, c代表影响系数, b代表源项, j为围绕结点i的邻近结点个数

可以证明当邻近结点的影响系数为非负时, 则格式满足最大值不增,最小值不减的TVD性质[4]. 为保证这种单调性质,可以在格式中加入Laplace形式的人工耗散.对于离散形式, 人工耗散D可写成

正定性条件要求.然而以上的人工耗散只具有一阶精度.高分辨率格式可被理解为仅加入尽可能小的人工耗散,使格式既具有较高的离散精度又保证解的不振荡.

一阶精度计算格式因数值耗散较大,计算的激波变得平坦。为了获得空间二阶精度,Van Leer提出MUSCL途径。基本方法是:采用插值方法确定单元界面两侧的变量值,作为求解黎曼问题的初始值,用一阶Godunov型格式计算界面处的数值通量。插值后,离散的精度可达二阶。经MUSCL重构后的半离散方程可改写成紧致的形式

 

可以证明,当限制因子f(r)³0时,,从而保证格式的高离散精度与解的不振荡性质.

经有限元空间半离散后的对流-扩散方程为常微分方程,可采用多种方法求解。对于非恒定流,可采用Runge-Kutta法进行显式时间积分求解。为增强稳定性亦可采用隐式格式求解,如高斯-赛得尔迭代或广义共轭梯度方法(GMRS)。

 

 

三. 快速开始

3.1模型前处理及数据要求

1.   数据源

HydroInfo包含与如下几类数据源的接口:

1)   Google数据

在联网的情况下,利用Googleearth驱动引擎,下载google卫星图片、地形数据等。同时记录图片的位置(世界坐标),并且通过定义坐标变换(世界坐标转化为自定义的直角坐标),将googel上的图片显示到新的坐标系下。如果图片的分辨率不够,还可以根据屏幕上的坐标范围从google上下载新的图片以满足分辨率提高的要求。

3.1下载Google卫星图片、地形数据

2)   GIS数据接口

包含导入GIS数据的前处理软件HydroGis。可以方便地导入ArcGis文件与数据,从而自动完成复杂水动力模拟的建模。

3.2 GIS数据接口与前处理

3)   CAD数据接口

土木、水利、环境工程中广泛使用CAD软件,因此建立导入与导出CAD数据文件会较大的简化数据准备与几何建模。

3.3 CAD的数据接口与前处理

4)   Excel数据接口

利用剪贴板,可以将Excel数据表直接贴到需要输入的数据表。

3.5 输入数据表与Excel兼容

 

2.   网格自动生成

离散计算的本质就是将物理量在空间的连续分布变化转化为物理量在离散的空间网格上的值来描述,因此如何高效、方便地生成网格是数学模型应用中首先需要考虑的问题。HydroInfo包含一维流网、二维平面网格及三维自由表面流动的网格自动生成。

一维流网网格

复杂给排水管网与河网的数据准备通常是件繁琐的工作,HydroInfo采用一维流网自动网格生成可提高效率,减少出错率。基本管网与河网数据按图层(流域)、多段线(流网)、典型剖面(管径或大断面)及其坐标位置进行数据管理,根据用户按流网指定的一维网格尺度,系统进行自动网格生成、网格断面插值及自动建模。

 

 

3.6 地表河网与地下管网的一维流网自动网格生成

 

3.   平面非结构化网格

采用Delaunay三角化方法生成三角网格,超限映射插值方法(transfinite)生成四边形网格,结合平面分区可以生成混合网格。

 

3.7 网格生成界面

 

 

4.   三维网格与动网格

由于采用ALE格式,三维垂向网格根据自由表面计算由系统自动生成。对于用户指定的动边界,动网格按Laplace光滑算法自动产生弹性动网格。

 

 

 

 

 

3.8 三维网格与动网格

 

5.   边界条件

边界条件不仅反映了外界对计算域的作用与信息交换,而且是物理解存在且唯一的适定性要求。HydroInfo的默认边界条件为二维与三维固壁或一维封闭端,用户指定的边界条件划分为以下四类。

水流边界:流速过程,单宽流量,流量过程,水位_流量关系,自由溢流,孔口边界。

水位边界:水位过程,两点潮位过程,四点潮位过程。

波浪边界:入射波浪边界,无反射边界。

输运量边界:含沙量,温度,含盐度,CODBOD,用户指定的其它输运量

3.9 边界条件界面

3.2建模导航

点击文件-建模导航,进入建模导航界面。根据不同的问题类型,系统会显示不同的导航界面。以下以多维耦合问题为例,介绍建模导航界面主要内容。

3.10 建模界面

导入CADCAD文件可以包含建模基础数据,系统会自动将CAD中的相应图层数据转换为基础数据表。若基础数据不完全,也可以在以下的建模过程中,将数据按表的形式导入。

流域描述:河网或管网的平面几何描述,包括流网的几何坐标及网段划分。

流域剖面:包括剖面位置表、剖面形状表、剖面描述表。系统将根据流域描述与流域剖面进行自动一维网格划分与断面形状的插值。

流域模型:包含节点坐标、连接关系、断面形状、网段描述等。当采用自动流域建模时,流域模型由系统自动生成,也可以对流域模型以数据按表的形式导入、删除、修改。

初始条件包含网段流量、节点水头及其它输运变量的初值。

边界条件:包含流速过程、流量过程、水位_流量关系、水位过程、自由溢流及其它输运变量的边界条件。

水工建筑:包含水库、泵站、闸阀、分水口、空气阀,及其控制条件与优化调度规则。

平面网格:包含边界设定、边界坐标、网格尺度、网格文件、网格生成与网格显示。当导入的CAD的文件包含建模边界图层时,系统会自动生成相应的建模网格文件。

区域模型:包含地形数据、水位初值、糙率数据、消波区系数等。当导入的CAD的文件包含相应建模数据图层时,点击区域建模,系统会自动生成相应的建模表。在完成基础数据表后,点击确定,系统自动将基础数据插值到计算网格上。

平面边界:包含流速过程、流量过程、水位_流量关系、自由溢流、孔口边界、水位过程、两点或四点潮位过程、波浪边界及其它输运量边界条件等。

多维耦合:包含边界耦合、分区耦合,以表的形式表述一维、二维或三维模型的几何关系。

建模显示:将建模完成后的数据呈现到工作区图形界面。。

数据校验:检验模型的数据完备性。

 

3.11 建模界面

3.3水文气象条件

当用户未指定水文气象数据,则系统默认为不考虑水文气象因素对环境水流的影响。

用户指定水文气象数据可包括:

降雨过程:降雨站点分布坐标,雨量站降雨过程

大气温度:环境大气的温度过程

风场:风场与气压场的分布与变化过程

下垫面:土层渗透系数,土层饱和度,土层饱和度,城市地表排水系数

地下水:地下渗透系数,不透水层高程,地下水位

点源:点源流量与用户指定的输运量浓度

3.12水文气象界面

 

3.4计算模拟

控制参数:设置时间参数、计算参数、模型设置、算法选项等。

 

计算模拟:进行后台模拟计算,底部工具栏显示实时计算进度。

流场分析:显示流域平面速度矢量、水位、水深、输运量场。

流域分析:显示河网或管网水力要素的空间分布与时间变化过程。

 

3.5计算结果分析与查询

数据处理:读入计算结果数据文件。

流网区:查询河网或管网水力要素的空间分布与时间变化过程。

分析统计:统计河网或管网水力要素的积分总量。

浅水区:查询流域平面速度矢量、水位、水深、输运量场的水深平均量。

数据统计:二维与三维流场与输运场的数据提取、查询、分析。

实测数据:导入测量数据,以便于计算结果的分析与参数率定。

输出显示:按TecPlotCad数据格式输出文件。

 

3.6模型输出及后处理

伴随着数学模型的不断发展, 对水流模拟的越来越细致, 计算结果的数据量也越来越大, 随之而来的是计算结果分析难度的增加。因此, 迫切需要新的技术手段将计算的数据结果转化为其它易于理解分析的形式。计算机多媒体技术的不断发展为这一方面的工作提供了有力的技术支持, 数学模型计算数据转换成直观图形图像的可视化后处理技术正在逐步发展。计算结果的图像化动态显示已经成为流体计算结果后处理的一个新的组成部分。

传统的处理方法主要是以数据报表或图表的方式予以体现,这使得决策者和一般的工程技术人员较难深刻把握成果的合理性和准确性。因此,直观、准确地表现流场的流态情况是当前数值计算后处理的主要研究方向。

HydroInfo的模型输出及后处理按如下方式展示:

点数据的时间过程:在系统界面点击鼠标右键可以输出改点位置的全部水力要素及环境输运要素的时间过程,包括Excel表单数据与曲线图。

剖线与剖面分布:按用户指定的剖线与剖面输出全部水力要素及环境输运要素的分布,也可以输出要素的分布的时间变化,包括Excel表单数据与曲线图。

平面分布数据:展示速度矢量场及水力要素与环境输运要素的云图分布,也可以输出要素的分布的时间变化。

图层管理:根据用户指定,按图层方式展示数据,展示可以按平面场景与三维场景选择。

输出数据接口:根据用户指定,按TecPlotCad数据格式输出文件。

3.13 按图层与分区输出水力与环境要素

 

3.14 溃坝问题三维展示

 

 

3.15 输出文件格式

3.16  TecPlotCad格式数据输出

 

 

. 潮流问题示例

由于几何尺度上的平面特性,对于海域、湖泊、航道等水流、泥沙与污染物输运问题,可采用平面二维浅水模型。应用该模型可模拟计算流速、水位与水深、各种浓度量的平面二维分布与时间变化过程。对于泥沙冲淤问题,可模拟地形冲淤演进。对于三维自由水面流动,HydroInfo采用垂线分层的Euler-Lagrange 动网格描述,可以在保证计算精度的条件下采用很少的垂向网格,从而提高计算效率。

 

渤海湾潮流场模拟实例

 

(a) 鲅鱼圈潮位站潮位过程计算值与实测值的比较

 

(b) 锦州潮位站潮位过程计算值与实测值的比较

 

(c) 京唐港潮位站潮位过程计算值与实测值的比较

渤海湾潮流场水位验证

 

 

 

 

温州三维潮流泥沙含盐度数值模拟示例

 

 

 

8线程并行计算,并实时展示流场

 

 

潮位验证对比

流速验证对比

 

含沙量验证对比

 

盐度验证对比

 

. 复杂水流问题示例

三维流动模拟的优势在于能够分析复杂流动,但面临的问题是计算量大,计算时间长,因此提高三维流动模拟的效率是应该重点考虑的问题。对于基于完全NS方程的不可压缩流动,压强的求解是比较费时的,通常情况下压力Possion方程的计算时间往往占总计算时间的70%以上,其原因是不可压流的压力波传输速度为无限大,压力的扰动是瞬时传播到全流场的椭圆型方程性质,因此为满足不可压条件而进行的压力修正迭代的收敛也比较慢。利用自由表面上压力边值条件的特点,并结合垂向速度相对较小的特点,建立了考虑非静水压强影响的三维自由水面非恒定流的数值模拟,同时开发出实用高效的软件系统

对于工程上应用广的自由水面流动,水面往往是平面上的单值函数,因此明确定义水位函数,会使问题得到明显的简化。采用较少的计算网格达到较高的计算精度,即高分辨率的观点,是提高计算效率的另一种途径。对于三维自由水面流动,本计算模块采用垂线分层的Euler-Lagrange 动网格描述,可以在保证计算精度的条件下采用很少的垂向网格,从而提高计算效率。

 

4.3 三维溃坝模拟界面

 

 

测点s测量与计算水位验证

 

 

 

 

 

 

三维溃坝计算结果显示

 

. 河口海岸问题示例

根据实际问题的特点及空间分辨率要求,可以采用分区动态耦合算法分别采用水量平衡关系、河网一维、平面二维的流动、自由表面三维的流动与输运微分方程组作为控制方程。利用系统的分解协调算法,不仅有利于分析子系统的耦合影响与相互作用,而且能够建立基于网络计算的实时预报与决策系统。多维耦合的目的是用较小的计算量取得较高的计算精度,对于重点关心的区域可以采用二维或三维模型进行细致的模拟计算;而对于大空间尺度且基础资料(如详细的河道地形图)相对缺乏的区域,可以采用河网一维模型计算。当重点关心的区域缺少合适的水位或流量边界条件时,采用多维耦合可以较好地将远外边界的实际边界信息反映到重点关心的工程区。

 

珠江河网和外海一、三维耦合界面

 

 

局部流场与验证对比

 

 


.泥沙输运示例

土壤的侵蚀,河道与海岸的演变,水库与港口航道的泥沙淤积,水工与海工建筑物的基础冲刷等问题都与泥沙的输运有关。泥沙输运主要研究由于水流动力因素导致的泥沙随时间与空间分布的变化规律,即泥沙从哪里来?到了哪里去?泥沙的淤积与冲刷引起了地形多大的变化?如何利用泥沙运动的规律兴利除害?

由于泥沙运动的复杂性与多样性,对水流、泥沙、地形测量资料的分析具有特别重要的意义。在理论分析的基础上,可以采用实验室试验,原型观测,数学模型,经验方法等多种方式研究工程泥沙问题。由于理论基础相对可靠,实际应用方便快捷,数学模型方法在泥沙的规划设计与预报预测中已经广泛采用。

  

6.12 实测地形冲淤变化 分布

 

6.13 计算地形冲淤变化分布

 

弯道非恒定水流泥沙的冲域计算示例

 

 

 

长江戴家洲2007年冲淤模拟分析

 

. 波浪模型示例

HydroInfo主要包含二个波浪模型,一个是缓坡方程(Mild Slope)模型,另一个是波能输运模型。选择缓坡方程的原因是,该模型可以对近岸波浪传播过程中折射、绕射、反射、浅水变形、海底摩擦、波浪破碎和弱非线性等因素的影响进行较好地预测,且计算量不算太大。选择波能输运模型的原因是,该模型以波能与相函数为求解变量,考虑了折射、绕射等影响,虽然忽略了反射,但是可以高效地应用于大区域波浪的计算分析。

 

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波浪口门绕射的波位、波高分布及三维动画显示。缓坡方程模型

 

 

波浪在斜坡上椭圆建筑物传播计算波高与波相函数分布。波能输运模型

 

 

 

 

 

波浪在斜坡上椭圆建筑物传播计算波高与波相函数分布。三维NS模型

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

模型验证与对比