3 平面二维浅水模型

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。

3.1 数据输入

在“区域”菜单中进行数据输入。包括:“网格文件”、“边界条件”、“基本资料”、“显示网格”、“添加工程”、“数据分区”。其中后两项在需要时输入。

3.1.1 网格文件

点击“区域”菜单,选择网格文件,弹出前处理界面如图3.1:网格划分方法包括:分块网格,叉树法自动网格,组合分块网格,ansys网格。

在网格文件中可选择多种网格划分方法的设置。

3.1 前处理界面

 

3.1.1.1 分块网格

分块半自动法网格文件包括各块的节点坐标与连结关系

3.1.1.2 叉树法自动网格

叉树法自动网格文件秩序输入计算域的边界坐标

3.1.1.3 组合分块网格

采用delaunay三角化网格与半结构化组合分块方式进行网格划分。

      在组合网格栏目中,单击“网格文件”,根据选择网格类型,以下图格式录入网格边界数据 

3.2 网格设置

 

点击“确定”后,网格数据文件准备完毕。点击组合网格中“网格生成”键,即可以在工作目录中打开Mesh.dxf文件在CAD环境下显示网格。选中“结点编号”、“单元编号”选项可以显示结点号和单元号。非结构化网格示意如下:

3.3 生成后的非结构化的计算网格

 

3.1.1.4 ansys网格

点击导入网格,弹出窗口如图示:选中“ansys”,在“节点文件”中设置节点文件所在目录,在“topo文件”中设置topo文件所在目录,点击“确定”,在计算目录下生成“frxyz.txt”文件。

3.4 导入ansys软件生成的网格

 

3.1.2 边界条件

水位边界条件、流量边界条件及水位流量关系同一维河网中边界条件确定方法一致,如下图3.5所示。

3.5 维计算边界条件设置

 

平面二维流动与输运方程可处理以下4种边界条件:水流边界、水位边界、波浪边界、输运量边界、内边界,具体见上图。

3.1.3 基本资料

基本资料包括:地形数据、水位初值和糙率数据。

3.1.3.1 地形数据

导入数据格式见地形数据。导入的数据可以按表格形式或图形界面形式显示,如图3.6

3.6 维计算地形数据准备

3.7 渤海计算域的网格与边界条件界面

3.1.3.2 水位初值

导入数据格式见水位初值样例

3.8 维计算水位初值数据准备

3.1.3.3 糙率数据

导入数据格式见糙率数据样例

3.9 维计算糙率数据准备

 

输入以上三部分数据之后点击“基本资料”下的“确定”,可将离散的地形数据,水位初值,与糙率分布自动插值计算到计算节点上。

3.1.4 显示网格

点击“显示网格”下“导入”键,将网格及其它前处理数据导入后台数据库,并可在HYDROINFO环境下显示与缩放。

3.1.5 添加工程

通过修改地形数据文件模拟添加工程后的地形。

3.1.6 分区

通过域-域分区建立分区耦合联系。

3.1.7 数据校验

此项检验前处理数据准备的数据完备性。

3.2 参数设置

控制参数设定、计算参数设置参见1.4

3.3 计算

参数设置完毕后,点击“计算”菜单下的“计算模拟”,将调用后台模拟计算程序开始进行计算。

3.4 显示流场

在“计算”菜单下的“显示流场”用于计算模拟完成后,对最后时刻的流场进行显示。输入参数如表3.1

3.1 显示流场输入参数

范围

说明

01

0表示默认

1表示重新取值

01

01

0.11

表示显示的大小根据实际情况取值

0.11

3.5 结果分析

计算完成后点击“分析”菜单,选择“数据处理”进行处理。

(1)    将计算结果的过程文本文件导入后台数据库。

(2)    将计算结果的过程文本文件导入内存。以方便一边计算一边查看结果

“分析”菜单中还包括“浅水区数据”、“浅水区过程”、“浅水区流场”。

3.5.1 浅水区数据

在数据库中按节点查看浅水区数据。包括“水深过程”、“x向流速过程”、“水位过程”、“y向流速过程”、“含沙量过程”。

3.5.2 浅水区过程

在数据库中按节点查看水位,水深,流速等水力要素过程。

3.5.3 浅水区流场

显示不同时刻的流场速度矢量,参数如表3.2

3.2 浅水区流场设置参数

项目

范围

时刻

0开始至存储步数-1

x平分

500

y平分

500

比例

<1

“水深”、“网格”选框表示是否显示该项。

参数设置完毕后,单击“重画”按钮在窗口中重画速度场。可以在流场中的任意节点位置点击鼠标右键,显示水位,水深,流速等水力要素过程。

3.6 验证与示例

3.6.1水面自由振荡算例

Thacker 曾研究过抛物型浅水湖底因水面隆起产生的自由震荡问题,并求得其精确解。该算例包括了移动边界和河床的起伏,本文采用该算例来检验格式处理这两个问题的能力。假想的湖底地形为:

其中,为水域内任一点至湖心的距离;为水深;为湖心处的水深;为湖面静止时岸线至湖心的距离。由于初始水面隆起,若不考虑底部摩阻,将在湖内引起的周期性自由震荡, Thacker 得出该周期震荡的精确解,湖水面高程随时间变化的解析解如下:

径向流速随时间变化的解析解如下:

式中,为岸线至湖心的距离。

算例取 m mm

3.10 (x,y)=(1000,0)处自由水面随时间变化过程的比较

 

 

3.11 (x,y)=(1000,0)处流速随时间变化过程的比较

3.12 自由水面的震荡过程:计算结果(实线)与解析解(实心点)的比较,t=a2T,(b13/6T,(c7/3T,(d5/2T

 

3.6.2 渤海湾潮流场模拟示例

 

3.13 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

3.14渤海湾潮流场水位验证