MIKE21-水动力模块中文教程

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1.3.1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：hSyvhxuhth=¶¶+¶¶+¶¶（1-1）()()202000012axysxbxxxxxxysphuhuhuvhfvhghtxyxxssghxxyhThThuSxyhrttrrrrr¶¶¶¶¶++=---¶¶¶¶¶¶æö¶¶+--++ç÷¶¶¶èø¶¶++¶¶（1-2）（1-3）式中：t为时间；,xy为笛卡尔坐标系坐标；h为水位；d为静止水深；hdh=+为总水深；,uv分别为,xy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；xxs、xys、yys分别为辐射应力分量；S为源项；(,)ssuv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：ddhuuzh-=ò，ddhvvzh-=ò（1-4）()()ShvhTyhTxysxsyghyphyghhufyvhxuvhtvhsyyxyyyyxbysya+¶¶+¶¶+÷÷øöççè涶+¶¶--+¶¶-¶¶-¶¶--=¶¶+¶¶+¶¶000020212rrtrtrrrhMIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程3ijT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：2xxuTAx¶=¶，()xyuvTAyx¶¶=+¶¶，2yyvTAy¶=¶（1-5）1.3.2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（FiniteVolumeMethod），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¶+Ñ×=¶UFUSU（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()()IVIVyyxxtxy¶-¶-¶++=¶¶¶FFFFUS（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：hhuhvéùêú=êúêúëûU，()22212Ixhuhughdhuvéùêúêú=+-êúêúêúëûF，02VxuhAxuvhAyxéùêúêúêúæö¶êú=ç÷êú¶èøêúêúæö¶¶+ç÷êú¶¶èøëûF()22212Iyhvhuvhvghdéùêúêú=êúêú+-êúëûF，02VxuvhAyxvhAxéùêúêúêúæö¶¶êú=+ç÷êú¶¶èøêúêúæö¶ç÷êú¶èøëûF（1-8）MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程420000020000001212xyaxxsxbxsyxyysybyasspsdhghgfvhhuxxyxysspdhghgfuhhvyyyxyttrhrrrrrttrhrrrrréùêúêúêú¶æö¶¶¶¶êú=+---++-+ç÷¶¶¶¶¶êúèøêú¶¶æö¶¶¶êú+---++-+ç÷êú¶¶¶¶¶èøëûS对方程（4-6）第i个单元积分，并运用Gauss原理重写可得出()()dddiiiAAstG¶+×=¶òòòUΩFnSUΩ（1-9）式中：iA为单元iW的面积；iG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1NSijijiUStA¶+×DG=¶åFn（1-10）式中：iU和iS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；jDG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式()t¶=¶UGU（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)(1nnntUGUUD+=+（1-12）式中：tD为时间步长。高阶的方法为以如下形式的使用了二阶的RungeKuttaMIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程5方法1/21()2nnnt+=+DUUGU11/2()nnnt++=+DUUGU（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）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dryh，且另一边水深必须大于floodh；第二，水深小于dryh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须小于干水深dryh；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dryh和floodh之间，或是当水深小于dryh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weth。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FloodandDry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（dryingdepth），淹没深度（floodingwaterdepth）和湿水深（wettingdepth）。dryh、floodh、weth三者必须满足dryfloodwethhh。应注意的是，对于值很小的weth，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。第二章模型构建2.1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、风以及潮位等数据资料MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程72.2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MIKEZero当中MeshGenerator生成mesh文件。（具体步骤见第三章）第三步建立时间序列文件用作边界条件。第四步在MIKE21中选择FlowModel(fm)生成模拟文件。（模拟文件中各选项详细说明见水动力模块教程）MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程8第五步结果后处理。第三章MESH文件生成3.1MESH文件生成步骤第一步在MIKEZero中选择MeshGenerator。第二步选择投影带MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程9选择投影带主要用来计算地球自转引起的科氏力，当计算区域较小可以不考虑科氏力，此时可选择NON-UTM。国内常用的北京54及西安80均已经内置，用户直接选择即可。第三步设置模拟区域根据实际计算范围，设置工作范围。依次打开Options→Workspace打开相应界面进行设置。这一步需要指定计算区域左下角和右上角坐标。第四步导入背景图片（1）导入背景图片之前，需要将背景图片左下角和右上角在工作范围内的坐标。这一步可以用Tool中设置（如左图，MIKE2009之前版本没有此功能），也可以直接在图片所在文件夹中放置一个与图片同名的属性文件，用文本编辑器编辑里面的数据。更为简单的方法是在（2）步中导入图片后，点击旁边的editMIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程10来设置。（2）完成以上设置后，通过Options→ImportGraphicLayers.点击下图箭头处的图标，新建一个背景图片。打开顺序：MIKEZero→MikeZero只需要设置x0,y0,x1,y1的值即可，gifw文件需要与背景MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程11（3）导入后，点击工具栏中缩小按钮，可以显示图片。当不需要显示图片时，可在第（2）步中界面，选择OverlayManager（见下图）,去掉图片前的对号，即可隐藏图片。导入新建MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程12第五步描绘边界边界可以在底图上描绘，也可以直接导入数据确定边界。（1）在导入底图后，可以用工具栏中Drawacr工具进行描绘边界。边界描绘完成后，可能由于底图的原因，无法看到描绘的边界，此时可以按照第四步（3）中方法隐藏图片。MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程13（2）通过selectacr工具（）选择已经绘制的边界，右击选择RedistributedVertices,选择适当的距离对Vertices进行均匀化处理。MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程14第六步定义边界（1）将需要定义为开办界的线段两端的vertice(图中显示为红色的点)转换为node（图中显示为蓝色的点）。用工具选择vertice，右击选择Vertices→Nodes（2）转换后，用selectarc选择该边界，右击选择property，将表中数字改为大于0的数字，即可将该线段定义为开办界。MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程15第七步导入地形数据依次打开Data→ImportScatterData打开相应界面，点击Add可导入后缀为.xyz的地形文件。地形文件中数据依次为X，Y，Z坐标，可事先制作好。第八步生成网格（1）在导入地形数据后，依次点击Mesh→GenerateMesh打开网格设置界面，可以设置网格最大面积等相应参数。参数设置完后，点击Generate可生成网格。MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程16（2）点击Mesh→SmoothMesh可对网格进行平滑处理。第九步地形插值点击Mesh→Interpolate，对地形进行插值，保证每一个网格都有地形数据。第十步导出mesh点击Mesh→Exportmesh，输出mesh文件，供模型文件使用。注意文件名及路径中尽量不要有中文。MIKE模型—水利数值模拟计算技术应用教程173.2常用数据格式（1）边界文件格式3547.994484.421004022.694162.301004314.883541.011003987.782647.471003527.051886.561002577.661432.811001970.3315