SMS81地表水模拟软件使用说明与开发

SMS8.1地表水模拟软件使用说明与开发SMS是英文SurfaceWaterModelingSystem(地表水模拟系统)首个字母的组合，是美国陆军工程兵水利工程实验室(UnitedStatesArmyCorpsofEngineersHydraulicsLaboratory)和扬·伯明翰大学(BrighamYoungUniversity)等合作开发的商业软件，可用来模拟水体的流场和浓度场。它由FESWMS-2DH、RMA2、RMA4、SED2D等软件包组成。本章对将使用的RMA2和RMA4软件包及其强大的后处理功能作较详细地说明。1水动力模型的建立水动力模型建立的步骤如图1所示：图1RMA2二维水动力模型的工作流程1.1输入底图ASCⅡ地形信息文件模型运行前处理程序计算网格生成程序二进制地形信息文件水动力模型数值计算程序二进制计算结果文件模型运行后处理程序电子地图坐标水动力模型运行控制文件地形信息数据显示地形信息图形显示全部结果显示选定结果显示热启动输出（可选项）采用SMS进行地表水模拟时，首先要输入较详细的底图。SMS8.1软件输入底图的途径主要有两种：一、打开tiff格式的图形文件，将地图中随机的三点的坐标输入定位，使底图与实际地形吻合；二、此外SMS8.1软件还支持AutoCAD转换成的R12的.dxf格式的电子地图，可以直接打开.dxf格式的地图。1.2定义节点具体操作如下：1、点击图标增加节点，利用图标选择节点，以便对节点进行修改；2、选中两节点，在SMS8.1版本中在窗口下方偏右出现distance项为两节点距离，如图2所示。已知两点距离，可在Node/InterpolationOption项中调整插入的节点数，根据实际情况插入节点。3、节点坐标包括x、y、z值可在坐标框中输入，确定节点的确切位置及高程，如图3所示。图2两节点间距离显示图图3节点坐标显示图1.3构建网格1.3.1网格的构建应满足以下条件：1、据水力特征流速大小和过水能力的大小使网格疏密有致；2、构建模型者所估计的流线平行；3、三角形与四边形注意过渡。边界、流场复杂区域用三角形，流速均匀、航道、湖区等地使用四边形。1.3.2构建方法：1、手动添加网格单元:选中三个节点，点击，形成形如图标的六节点三角形网格；选中四个节点，点形成八节点的四边形网格；点分割四边形网格或将两相邻的三角形网格合成为四边形网格；点将内含两个三角形网格的四边形网格调转方向，使得网格满足适应流线，避免出现网格质量的原则。2、通过节点线构造三角形、四边形网格：节点如图4所示，点连接节点线，三角形网格三边界，四边形网格四边界，从起点开始，终点双击结束，形如图5所示；最终，6条边界的节点线如图6所示。图4图5图6点选择节点线，三边界须构造三角形网格单元，选中三条边界，在Element/TriangularPatch构造三角形单元，点Preview预览，如图7；图7四边形网格构造与三角形网格构造大体相同，选其四条边界，在Element/RectangularPatch中构造,如图8；另外可根据图中的四条边界End1、End2、Side1、Side2中Distribute命令可在中间插入若干个节点，此方法适合构建大规模、结构简单的四边形网格。图83、通过map模型，构造大规模的网格按切换至地图模型，点在底图边界上绘制节点线，起始点单击，在终点双击结束此条节点线的绘制,如图9。绘制另一条相邻的节点线时，软件将自动识别节点之间的耦合性如图10。不管地形规则或不规则，都要形成一个图块，图块至少需要四条节点线，形如图11所示。构建模型时，为了不同的材质、地形可设置互相连接的若干个块；连接完所有的块，点featureobjects/buildpolygons，这时，模型自动建立块，但是从界面上看不出来。点再选择你所要构造的块，出现如图12所示的效果。接下来点featureobjective\attribute，出现如图13所示，您可以在MeshType中选择网格的类型，分paving、patch、adaptivetessellation分别代表三角形网格、四边形网格、密集型三角形网格。点preview预览。假如构造的块含有4条以上的节点线，点选中某个你认为不必要的点（此点是节点线的起点或终点）在nodeoption中选择merge就可以把此点转换成中间点，可进行下一步骤。最后点featureobjects/map-2Dmesh把地图生成二维网格。图9图10图11图12网格构造完后，要对模型定义底高程。确定模型所用的单位（米或英尺及其它），在edit\currentcoordination中改变unit选项调整单位。图13网格的类型1.4模型质量检查整个计算区域的网格划分完毕后，为使网格收敛，点击图标选中Meshquality选项，对网格进行检查，检查内容包括：1、三角形内角满足10°≤α≤150°，四边形内角满足30°≤α≤150°；2、两单元之间的地形最大坡度≤10%；3、相邻有限元的面积比是否控制在0.5~2之间；4、三角形、四边形任意两条边长度的最大比值不超过10；5、节点地面高程大于水面高程时，是否打开“干/湿”边界条件；6、为保证能量守恒，尽量使系统的边界光滑；7、三角形、四边形有限元是否光滑、平整；8、为节省计算时间，需要对有限元网格重新编号。对于不符合要求的有限元网格如图14所示，可根据检查结果进行调整，具体步骤如下：1、首先将选项Nodes/Locked前面的对号去掉，以便可以任意移动节点；点击图标移动节点，直到该节点处不出现质量问题为止；2、对于一些节点需改变其底高程，可在图3节点坐标显示图中输入适当的值，直到不出现网格质量；3、点击图标按逆时针方向，点击需光滑的节点线起始点，按住Ctrl键点击终点，然后点击图标选中需光滑的节点线，点击Nodestrings/Smooth命令即可；4、此外，对于四边形单元应尽量使其长边与短边的比例增大，并使长边方向与水流方向一致。在敏感区域（如水流变化较大处）需适当增加单元数，以使网格收敛。修改后直至不再出现网格质量问题，方可进行下一步操作。图14网格质量显示图1.5定义材质不同的材质有不同的糙率，定义材质步骤如下：1、添加新材质，选择Edit/MaterialDate点击New创建新材质，点击对话框中的ID、Name和Pattern可以定义不同的特性。2、选择Element/Option，点击Setdefaultmaterial可以设置默认的材质。若需更改单元的材质，可以点击工具选择需要修改的单元。然后选择Element/AssignElementType重新选择材质。3、最后在RMA2/MaterialProperties中设置材质的不同的参数（曼宁系数和涡粘性系数等）。1.6设置边界条件1、利用工具，按下Shift键点击起始点，最后双击终点即可创建节点串。然后利用工具点击节点串，查看边界线方向。入流边界方向应朝向计算域内，出流边界方向应朝向计算域外。若不符合要求，可以选择Nodestrings/ReverseDirection更改方向。2、入流与出流边界方向确定后，利用工具点击节点串选择RMA2/AssignBC分别设置入流和出流边界条件。选项BoundaryConditionType中可以设置边界的类型，Specifiedflow可以定义流量边界；Watersurfaceelevation可以定义水位高程边界；Reflectingboundary可以定义反射边界；Ratingcurve可以定义非恒定边界。一般进口处可以设置入流量和流速，出口处设置水位。1.7模型控制参数设置模型控制参数的设置是用来定义水动力模型的初始条件的。选择RMA2/ModelControl打开模型控制对话框，参数设置具体步骤如下：1、General选项：计算机类型MachineType选择第一项；WaterProperties选择中，Temperature设置水温，Density设置水的密度，Specifyinitialwatersurfacefor定义模型出口初始水位，Specify1Dnodeinitialcondition设置初始水深和流速估计值；其它选项取默认值，如图15所示。图15RMA2模型控制General选项对话框2、Timing选项：模拟类型SimulationType中恒定计算选择Steadystate，动态模拟则选择Dynamic；设置迭代次数IterationForFlowCalculations/Initial；在DepthConvergenceParameters/Steadystatedepth选项中输入模拟计算的收敛标准（一般取0.0001）；非恒定计算选择Dynamic，迭代次数和收敛标准设置同上，并在ComputationTime中输入各项值。3、File选项：该选项中设计到文件的存储功能。若是冷启动，则保持选项中的默认值即可；若为热启动，则需在进行初次计算时打开Writehotstart按钮，计算完毕后，系统会自动生成“*.hot”文件，若需要利用同一地形继续进行计算，则可以打开Hotstartinput按钮，找到“*.hot”文件，便可进行热启动计算。4、Materials选项：该选项主要控制干/湿地的打开和关闭。5、Weather选项：该选项可以控制风效应、降雨、蒸发等因素对计算的影响。1.8RMA2模型检查上述操作完成后，便可进行RMA2模型检查了。选择RMA2/ModelCheck，然后点击RunCheck即可运行模型检查。若出现错误，可根据提示进行修改；若无错误提示，剩下的可能提示就是对网格进行重新编号。此时可以利用工具点击出口处节点串，选择Nodestrings/Renumber命令即可对网格重新编号，文件存档。1.9模型运行对网格进行重新编号后，便可进行模型计算。选择RMA2/RunRMA2命令进行模型计算，若模型计算结果收敛，则计算框内会出现“RMA2finished”字样；若模型计算发散，则会出现“Stopdepthconvergenceexceed25.0”字样；此时必须重新对网格进行检查，可以通过修改网格、修改参数设置等措施使网格最终收敛。具体操作如下：1、打开网格质量显示Meshquality，查看网格是否还有未发现的质量问题；2、网格总体方向应与水流流向大体保持一致，特别是过渡地区，三角形与四边形应合理选取，网格疏密程度应与水流特性相符，水流较复杂、流速变化较大的区域应加密网格，反之则适当减小网格密度；3、检查边界条件的设置：出口水位是否太低，入口流量是否太大，在模型控制中，初始水位的设置可以进行调整，方便模型收敛，入口与出口边界应设置过渡段防止局部区域流速过高；4、糙率问题检查：不同材质之间需要一定的过渡区域，以满足网格收敛。