SMS地表水模擬軟件使用說明

1、SMS地表水模擬軟件的使用說明SMS是英文Surface Water Modeling System(地表水模擬系統(tǒng))首個字母的組合，是美國陸軍工程兵水利工程實(shí)驗(yàn)室(United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory)和揚(yáng)·伯明翰大學(xué)(Brigham Young University)等合作開發(fā)的商業(yè)軟件，可用來模擬水體的流場和濃度場。它由FESWMS-2DH、RMA2、RMA4、SED2D等軟件包組成。本章對將使用的RMA2和RMA4軟件包及其強(qiáng)大的后處理功能作較詳細(xì)地說明。1 水動力模型的建立水動力模型建立的步驟

2、如圖1所示：模型運(yùn)行前處理程序電子地圖坐標(biāo) ASC地形信息文件計(jì)算網(wǎng)格生成程序二進(jìn)制地形信息文件水動力模型數(shù)值計(jì)算程序二進(jìn)制計(jì)算結(jié)果文件模型運(yùn)行后處理程序水動力模型運(yùn)行控制文件地形信息數(shù)據(jù)顯示地形信息圖形顯示全部結(jié)果顯示選定結(jié)果顯示熱啟動輸出（可選項(xiàng)）圖1 RMA2二維水動力模型的工作流程1.1 輸入底圖 采用SMS進(jìn)行地表水模擬時(shí)，首先要輸入較詳細(xì)的底圖。SMS8.1軟件輸入底圖的途徑主要有兩種：一、 打開tiff格式的圖形文件，將地圖中隨機(jī)的三點(diǎn)的坐標(biāo)輸入定位，使底圖與實(shí)際地形吻合；二、 此外SMS8.1軟件還支持AutoCAD轉(zhuǎn)換成的R12的.dxf格式的電子地圖，可以直接打開.dxf格

3、式的地圖。1.2定義節(jié)點(diǎn)具體操作如下：1、 點(diǎn)擊圖標(biāo)增加節(jié)點(diǎn)，利用圖標(biāo)選擇節(jié)點(diǎn)，以便對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改；2、 選中兩節(jié)點(diǎn)，在SMS8.1版本中在窗口下方偏右出現(xiàn)distance項(xiàng)為兩節(jié)點(diǎn)距離，如圖2所示。已知兩點(diǎn)距離，可在Node/Interpolation Option項(xiàng)中調(diào)整插入的節(jié)點(diǎn)數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況插入節(jié)點(diǎn)。3、 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)包括x、y、z值可在坐標(biāo)框中輸入，確定節(jié)點(diǎn)的確切位置及高程，如圖3所示。圖2 兩節(jié)點(diǎn)間距離顯示圖圖3 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)顯示圖1.3 構(gòu)建網(wǎng)格1.3.1 網(wǎng)格的構(gòu)建應(yīng)滿足以下條件：1、 據(jù)水力特征流速大小和過水能力的大小使網(wǎng)格疏密有致；2、 構(gòu)建模型者所估計(jì)的流線平行；3、 三角形與

4、四邊形注意過渡。邊界、流場復(fù)雜區(qū)域用三角形，流速均勻、航道、湖區(qū)等地使用四邊形。1.3.2 構(gòu)建方法：1、手動添加網(wǎng)格單元: 選中三個節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊，形成形如圖標(biāo)的六節(jié)點(diǎn)三角形網(wǎng)格；選中四個節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)形成八節(jié)點(diǎn)的四邊形網(wǎng)格；點(diǎn)分割四邊形網(wǎng)格或?qū)上噜彽娜切尉W(wǎng)格合成為四邊形網(wǎng)格；點(diǎn)將內(nèi)含兩個三角形網(wǎng)格的四邊形網(wǎng)格調(diào)轉(zhuǎn)方向，使得網(wǎng)格滿足適應(yīng)流線，避免出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量的原則。2、通過節(jié)點(diǎn)線構(gòu)造三角形、四邊形網(wǎng)格：節(jié)點(diǎn)如圖4所示，點(diǎn)連接節(jié)點(diǎn)線，三角形網(wǎng)格三邊界，四邊形網(wǎng)格四邊界，從起點(diǎn)開始，終點(diǎn)雙擊結(jié)束，形如圖5所示；最終，6條邊界的節(jié)點(diǎn)線如圖6所示。 圖4 圖5 圖6點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)線，三邊界須構(gòu)造三角形網(wǎng)格單元

5、，選中三條邊界，在Element/Triangular Patch構(gòu)造三角形單元，點(diǎn)Preview預(yù)覽，如圖7； 圖7四邊形網(wǎng)格構(gòu)造與三角形網(wǎng)格構(gòu)造大體相同，選其四條邊界，在Element/Rectangular Patch中構(gòu)造,如圖8；另外可根據(jù)圖中的四條邊界End1、End2、Side1、Side2中Distribute命令可在中間插入若干個節(jié)點(diǎn)，此方法適合構(gòu)建大規(guī)模、結(jié)構(gòu)簡單的四邊形網(wǎng)格。圖83、通過map模型，構(gòu)造大規(guī)模的網(wǎng)格按切換至地圖模型，點(diǎn)在底圖邊界上繪制節(jié)點(diǎn)線，起始點(diǎn)單擊，在終點(diǎn)雙擊結(jié)束此條節(jié)點(diǎn)線的繪制,如圖9。繪制另一條相鄰的節(jié)點(diǎn)線時(shí)，軟件將自動識別節(jié)點(diǎn)之間的耦合性如圖10

6、。不管地形規(guī)則或不規(guī)則，都要形成一個圖塊，圖塊至少需要四條節(jié)點(diǎn)線，形如圖11所示。構(gòu)建模型時(shí)，為了不同的材質(zhì)、地形可設(shè)置互相連接的若干個塊；連接完所有的塊，點(diǎn)feature objects/build polygons，這時(shí)，模型自動建立塊，但是從界面上看不出來。點(diǎn)再選擇你所要構(gòu)造的塊，出現(xiàn)如圖12 所示的效果。接下來點(diǎn)feature objectiveattribute ，出現(xiàn)如圖13所示，您可以在Mesh Type 中選擇網(wǎng)格的類型，分paving、patch、adaptive tessellation分別代表三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格、密集型三角形網(wǎng)格。點(diǎn)preview預(yù)覽。假如構(gòu)造的塊含有

7、4條以上的節(jié)點(diǎn)線，點(diǎn)選中某個你認(rèn)為不必要的點(diǎn)（此點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)線的起點(diǎn)或終點(diǎn)）在node option中選擇merge就可以把此點(diǎn)轉(zhuǎn)換成中間點(diǎn)，可進(jìn)行下一步驟。最后點(diǎn)feature objects/map->2D mesh把地圖生成二維網(wǎng)格。 圖9 圖10 圖11 圖12 網(wǎng)格構(gòu)造完后，要對模型定義底高程。確定模型所用的單位（米或英尺及其它），在editcurrent coordination中改變unit選項(xiàng)調(diào)整單位。圖13 網(wǎng)格的類型1.4 模型質(zhì)量檢查整個計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分完畢后，為使網(wǎng)格收斂，點(diǎn)擊圖標(biāo)選中Mesh quality選項(xiàng)，對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括：1、三角形內(nèi)角滿足10

8、°150°，四邊形內(nèi)角滿足30°150°；2、兩單元之間的地形最大坡度10%；3、相鄰有限元的面積比是否控制在0.52之間；4、三角形、四邊形任意兩條邊長度的最大比值不超過10；5、節(jié)點(diǎn)地面高程大于水面高程時(shí)，是否打開“干/濕”邊界條件；6、為保證能量守恒，盡量使系統(tǒng)的邊界光滑；7、三角形、四邊形有限元是否光滑、平整；8、為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，需要對有限元網(wǎng)格重新編號。對于不符合要求的有限元網(wǎng)格如圖14所示，可根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，具體步驟如下：1、首先將選項(xiàng)Nodes/Locked前面的對號去掉，以便可以任意移動節(jié)點(diǎn)；點(diǎn)擊圖標(biāo)移動節(jié)點(diǎn)，直到該節(jié)點(diǎn)處不出現(xiàn)質(zhì)量

9、問題為止；2、對于一些節(jié)點(diǎn)需改變其底高程，可在圖3節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)顯示圖中輸入適當(dāng)?shù)闹?，直到不出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量；3、點(diǎn)擊圖標(biāo)按逆時(shí)針方向，點(diǎn)擊需光滑的節(jié)點(diǎn)線起始點(diǎn)，按住Ctrl鍵點(diǎn)擊終點(diǎn)，然后點(diǎn)擊圖標(biāo)選中需光滑的節(jié)點(diǎn)線，點(diǎn)擊Nodestrings/Smooth命令即可；4、此外，對于四邊形單元應(yīng)盡量使其長邊與短邊的比例增大，并使長邊方向與水流方向一致。在敏感區(qū)域（如水流變化較大處）需適當(dāng)增加單元數(shù)，以使網(wǎng)格收斂。修改后直至不再出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量問題，方可進(jìn)行下一步操作。圖14網(wǎng)格質(zhì)量顯示圖1.5 定義材質(zhì)不同的材質(zhì)有不同的糙率，定義材質(zhì)步驟如下：1、添加新材質(zhì)，選擇Edit/Material Date點(diǎn)擊New

10、創(chuàng)建新材質(zhì)，點(diǎn)擊對話框中的ID、Name和Pattern可以定義不同的特性。2、選擇Element/Option，點(diǎn)擊Set default material可以設(shè)置默認(rèn)的材質(zhì)。若需更改單元的材質(zhì)，可以點(diǎn)擊工具選擇需要修改的單元。然后選擇Element/Assign Element Type重新選擇材質(zhì)。3、最后在RMA2/Material Properties中設(shè)置材質(zhì)的不同的參數(shù)（曼寧系數(shù)和渦粘性系數(shù)等）。1.6 設(shè)置邊界條件1、利用工具，按下Shift鍵點(diǎn)擊起始點(diǎn)，最后雙擊終點(diǎn)即可創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)串。然后利用工具點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)串，查看邊界線方向。入流邊界方向應(yīng)朝向計(jì)算域內(nèi)，出流邊界方向應(yīng)朝向計(jì)算域外。

11、若不符合要求，可以選擇Nodestrings/Reverse Direction更改方向。2、入流與出流邊界方向確定后，利用工具點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)串選擇RMA2/Assign BC分別設(shè)置入流和出流邊界條件。選項(xiàng)Boundary Condition Type中可以設(shè)置邊界的類型，Specified flow可以定義流量邊界；Water surface elevation可以定義水位高程邊界；Reflecting boundary可以定義反射邊界；Rating curve可以定義非恒定邊界。一般進(jìn)口處可以設(shè)置入流量和流速，出口處設(shè)置水位。1.7 模型控制參數(shù)設(shè)置模型控制參數(shù)的設(shè)置是用來定義水動力模型的初始

12、條件的。選擇RMA2/Model Control打開模型控制對話框，參數(shù)設(shè)置具體步驟如下： 1、General選項(xiàng)：計(jì)算機(jī)類型Machine Type選擇第一項(xiàng)；Water Properties選擇中，Temperature設(shè)置水溫，Density設(shè)置水的密度，Specify initial water surface for定義模型出口初始水位，Specify 1D node initial condition設(shè)置初始水深和流速估計(jì)值；其它選項(xiàng)取默認(rèn)值，如圖15所示。圖15 RMA2模型控制General選項(xiàng)對話框2、Timing選項(xiàng)：模擬類型Simulation Type中恒定計(jì)算選擇St

13、eady state，動態(tài)模擬則選擇Dynamic；設(shè)置迭代次數(shù)Iteration For Flow Calculations/Initial；在Depth Convergence Parameters/Steady state depth選項(xiàng)中輸入模擬計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)（一般取0.0001）；非恒定計(jì)算選擇Dynamic，迭代次數(shù)和收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置同上，并在Computation Time中輸入各項(xiàng)值。3、File選項(xiàng)：該選項(xiàng)中設(shè)計(jì)到文件的存儲功能。若是冷啟動，則保持選項(xiàng)中的默認(rèn)值即可；若為熱啟動，則需在進(jìn)行初次計(jì)算時(shí)打開Write hotstart按鈕，計(jì)算完畢后，系統(tǒng)會自動生成“*.hot”文件

14、，若需要利用同一地形繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，則可以打開Hotstart input按鈕，找到“*.hot”文件，便可進(jìn)行熱啟動計(jì)算。4、Materials選項(xiàng)：該選項(xiàng)主要控制干/濕地的打開和關(guān)閉。5、Weather選項(xiàng)：該選項(xiàng)可以控制風(fēng)效應(yīng)、降雨、蒸發(fā)等因素對計(jì)算的影響。1.8 RMA2模型檢查上述操作完成后，便可進(jìn)行RMA2模型檢查了。選擇RMA2/Model Check，然后點(diǎn)擊Run Check即可運(yùn)行模型檢查。若出現(xiàn)錯誤，可根據(jù)提示進(jìn)行修改；若無錯誤提示，剩下的可能提示就是對網(wǎng)格進(jìn)行重新編號。此時(shí)可以利用工具點(diǎn)擊出口處節(jié)點(diǎn)串，選擇Nodestrings/Renumber命令即可對網(wǎng)格重新編號，文件存檔。1.9 模型運(yùn)行 對網(wǎng)格進(jìn)行重新編號后，便可進(jìn)行模型計(jì)算。選擇RMA2/Run RMA2命令進(jìn)行模型計(jì)算，若模型計(jì)算結(jié)果收斂，則計(jì)算框內(nèi)會出現(xiàn)“RMA2 finished”字樣；若模型計(jì)算發(fā)散，則會出現(xiàn)“Stop depth convergence exceed 25.0”字樣；此時(shí)必須重新對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，可以通過修改網(wǎng)格、修改參數(shù)設(shè)置等措施使網(wǎng)格最終收斂。具體操作如下：1、打開網(wǎng)格質(zhì)量顯示Mesh