水動力模型軟件Delft3D操作過程與實例分析

1、水動力模型軟件Delft3D操作過程與實例分析基于Delft3D-Flow 模塊的三維模型垂向在網(wǎng)格使用的是笛卡爾Z坐標，是基于二維淺水方程對不可壓縮粘性流體求解Navier Stokes方程，在淺水和方程假設(shè)下。在垂直動量方程中，忽略了垂直加速度，導(dǎo)致了靜水壓方程。在3D模型中，垂直速度是從連續(xù)性方程計 算出來的。在有限差分網(wǎng)格上求解與一組合適的初始邊界條件相結(jié)合的偏微分方程組連續(xù)方程：垂向二維平均連續(xù)性方程如下其中，Q表示單位面積上的源、匯通量，以及降水和蒸發(fā)的影響。水平方向上的動量方程在已和刀方向上的三維動量方程如下：為垂向紊動粘性系數(shù)，與水體的動粘度和三維湍流閉合模型計算得到的三維紊動

2、粘性 系數(shù)有關(guān)。R和P”代表兩個方向的壓力梯度，動量方程中Fe和f代表水平雷諾應(yīng)力的非平衡量，M和肌代表源匯項。泥沙輸運方程對于河口海岸中溶解性物質(zhì)、鹽分、熱量的輸運， delft3d-flow解算了三維平流-擴散方程，并考慮了一階衰減過程。 輸運方程在水平曲線正交網(wǎng)格和垂向坐標系以守恒形式表示。其中DH是水平擴散系數(shù)，D/是垂向擴散系數(shù)，d代表一階衰減過程。1,水動力模型構(gòu)建過程網(wǎng)格搭建設(shè)置工作空間工作空間(working directory )是Delft3d 運行的工作文件夾，選擇正確的工作空間可以提高計算效率，減少失誤。該課程論文以Delft3D自帶的實例操作為主，因此在這里選擇文件夾

3、：D:Delft3D 4.02.01tutorialflow導(dǎo)入陸地邊界陸地邊界相當于海岸線， 該處的作用主要為規(guī)定劃分網(wǎng)格和模擬區(qū)域。在菜單欄選擇 File-attribute-open land boundary ,打開 文件，打開后 顯示如圖所示。圖1陸地邊界示意圖繪制曲線(spline )曲線是沿著陸地邊界繪制而成，曲線的主要功能是生成網(wǎng)格，因此在繪制曲線的時候，曲線的范圍要比陸地邊界的范圍大。操作步驟：在菜單欄點擊 Edit-spline-edit ,首先沿陸地邊界拖動鼠標，在陸地邊界外圍繪制曲線， 繪制完曲線右擊鼠標完成一條曲線；然后在網(wǎng)格內(nèi)部繪制等距曲線，右擊結(jié)束。結(jié)果如圖所示圖

4、2 spline 曲線示意圖根據(jù)曲線生成網(wǎng)格在菜單欄單擊operation- grow spline into grid,這是網(wǎng)格會按照曲線自動生成。需注意的是，此處生成的網(wǎng)格并不能直接用于模型計算，還需要對網(wǎng)格進行調(diào)整。自動生成的網(wǎng)格如圖所示。網(wǎng)格后處理網(wǎng)格移動、擴大與縮小按住ctrl鍵然后移動鼠標可以自由移動網(wǎng)格；鼠標滑輪可以對網(wǎng)格進行 自由縮放。網(wǎng)格加密與稀疏在菜單欄單擊 operation- regular grid coarseness- refine為力口密網(wǎng)格，derefine 為網(wǎng)格稀疏。加密的行列數(shù)可以在 setting 里設(shè)置網(wǎng)格正交化網(wǎng)格正交化主要針對的是網(wǎng)格與網(wǎng)格之間的

5、垂直程度，單擊菜單欄 operation-orthogonalise ,可以直接對自動網(wǎng)格進行正交化處理。網(wǎng)格平滑度處理網(wǎng)格平滑度是指網(wǎng)格與網(wǎng)格之間的長寬比，最完美的情況是網(wǎng)格內(nèi)部所 有小網(wǎng)格大小完全一致。操作步驟：Edit-regular grid-block smooth ,單擊之后沒有變化，此時，分別單擊需要進行平滑處理網(wǎng)格的兩端，然后右擊鼠標，就會自動進行平滑處理。圖3初步生成網(wǎng)格示意圖網(wǎng)格精度檢驗正交性網(wǎng)格正交性以余弦值作為參考值，其最合適的取值范圍為v0.02，但是最大不能超過0.05 ,否則計算結(jié)果會出錯。平滑度平滑度的取值范圍為10%20%經(jīng)過以上步驟調(diào)整后，得到網(wǎng)格即為模型計

6、算所需要的網(wǎng)格，完成之后結(jié)果如下圖導(dǎo)出網(wǎng)格圖5完成網(wǎng)格示意圖網(wǎng)格導(dǎo)出功能在file 菜單欄，單擊export ,選擇保存路徑直接保存即可。導(dǎo) 出網(wǎng)格包含兩個文件，分別是 .grd和.enc。水底地形文件水深數(shù)據(jù)的生成是在生成網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，將離散水深點通過插值離散的方式賦值到網(wǎng)格，進而以面的形式表現(xiàn)出來。因此，要生成水深數(shù)據(jù)需要兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別是網(wǎng)格（前期以做好的網(wǎng)格）和離散水深點。制作水底地形文件用Delft3D 中的Quickin 工具，首先打開 Quickin 。導(dǎo)入陸地邊界、網(wǎng)格與水深點陸地邊界在這里作為一個輔助邊界進行展示，僅作為可視化的形狀。導(dǎo)入方法：File-attributes

7、 ,導(dǎo)入陸地邊界選擇 import land boundary（選擇文件mar_01.ldb ）,導(dǎo)入水深點選擇 imprt sample （選擇文件 mar_02.xyz ）。之后選 擇相應(yīng)文件確定即可。導(dǎo)入網(wǎng)格：File-import grid ,選擇以生成的網(wǎng)格即可。（選擇網(wǎng)格文件mar 02.grd ）。圖6離散水深點示意圖圖6離散水深點示意圖水深點插值形成水底地形文件導(dǎo)入完成的陸地邊界、網(wǎng)格和水深如圖所示。之后對水深點進行插值即可得到水底地形。操作：菜單欄 operations-triangular interpolation saavnnuoDU saavnnuoDU圖7插值水深成

8、品示意圖導(dǎo)出水深完成插值后需要對水深進行導(dǎo)出，以便于輸入模型。操作：File菜單欄-export-exprt depth 。導(dǎo)出的文件為.dep格式的文件。需要注意的是，一個網(wǎng)格只對應(yīng)一個水深數(shù)據(jù)。輸入模型參數(shù)將之前做好的網(wǎng)格與水深數(shù)據(jù)以特定方式輸入模型中，作為一個模型運行的基礎(chǔ)；輸入模型的開邊界作為整個模型運動的驅(qū)動因素；規(guī)定模型的計算間隔與模擬結(jié)果輸以滿足驗證數(shù)據(jù)的出的時間間隔；除此之外，還需要對模型中的參數(shù)進行計算調(diào)整, 需要，以驗證模型的精確性。模型文件及參數(shù)輸入界面如下圖所示。以滿足驗證數(shù)據(jù)的導(dǎo)入網(wǎng)格與水深（domain）首先導(dǎo)入模型網(wǎng)格與水深數(shù)據(jù)。Fl ：wkm-AWiHl- 1M

9、 *WpDiuthnMuhbJUriNiwJ paiinrm圖8 Flow模塊設(shè)置主界面網(wǎng)格（grid ）主要輸入.grd與.enc兩種格式的文件；除此之外還需定義所在緯度，以考慮科氏力對模型的影響；由于現(xiàn)在構(gòu)建的是一個二維模型，因此在number of layers一欄輸入1,代表二維模型。見左圖。水深（bathymetry ）則主要輸入之前生成的水深文件。直接在 file 菜單下 選擇相應(yīng)的.dep水深文件即可。完成見右圖。HQ :EE- -imr waAmi uri JX I設(shè)置模型計算時間圖10模型時間參數(shù)設(shè)置在模型計算時間方面，將計算間隔設(shè)為5分鐘，區(qū)時采用默認為0。計算長度為1天，

10、為1990年8月5日至1990年8月6日，具體時間設(shè)置見下圖。設(shè)置模型初始值模型初始值代表模型在開始計算之前的狀態(tài)，在這里設(shè)置水面初始值為 0,代表模型為冷啟動方式。在冷啟動方式下，模型在開始時的變化可能會比較劇烈，但是一段時間之后會逐漸趨于穩(wěn)定。設(shè)置模型邊界在邊界條件設(shè)置上采用動邊界條件作為模型的驅(qū)動條件。邊界條件為根據(jù)已有的潮汐數(shù)據(jù)對水位變化進行調(diào)和而成。具體邊界條件類型以及設(shè)置條件見下圖。設(shè)置物理參數(shù)(physical parameters )llEUHfariniSi EhurdirpUZ id|wUefImI3(皿/Mia:hlMraak回ndinr;Sch Hand MyWrfw

11、JrwiVirikdJ pisfla: n eCkiiaBiHndiikellEUHfariniSi EhurdirpUZ id|wUefImI3(皿/Mia:hlMraak回ndinr;Sch Hand MyWrfw JrwiVirikdJ pisfla: n eCkiiaBiHndiike圖11模型開邊界條件設(shè)置模型運動需要設(shè)置的物理參數(shù)比較多,如重力加速度、水體密度、水底粗糙模型運動需要設(shè)置的物理參數(shù)比較多,如重力加速度、水體密度、水底粗糙度、邊界粗糙度、水體粘滯系數(shù)等。因為該模型為度、邊界粗糙度、水體粘滯系數(shù)等。因為該模型為Delft3D的示例，所以在物理參數(shù)方面不做調(diào)整，直接采用De

12、lft3D參數(shù)方面不做調(diào)整，直接采用Delft3D給出的默認值即可。設(shè)置觀測點與觀測剖面(monitoring )frttivBllMiB 曲wguui | :nrt/frttivBllMiB 曲wguui | :nrt/日中亡M .1同1W圖12模型觀測點與觀測剖面設(shè)置界面觀測點與觀測觀測剖面的設(shè)置主要針對的模型的結(jié)果，在對網(wǎng)格節(jié)點上添加觀察點，可以對指定位置的模型結(jié)果進行定量觀測，并將結(jié)果作為單獨的文件進行存儲，這在很大程度上可以在后期通過對特定點位置的結(jié)果進行分析，或者與模型驗證數(shù)據(jù)進行比較，從而調(diào)整模型參數(shù)，提高模型結(jié)果的精度。具體的觀察 點設(shè)置結(jié)果如下圖所示。模型結(jié)果輸出設(shè)置模型結(jié)果

13、的輸出有兩種形式，分別是 map results 與history results 。 history results主要是基于上一步設(shè)置的觀察點與觀測剖面而言的結(jié)果，mapresults則是指在網(wǎng)格的基礎(chǔ)上形成的面狀動態(tài)顯示的結(jié)果。兩種結(jié)果都是模型輸出的重要形式，各有側(cè)重點，都是結(jié)果輸出的重要部分。在輸出設(shè)置方面，需要對輸出結(jié)果的時間間隔與時間范圍進行定量的規(guī)定，最終模型輸出結(jié)果的設(shè)置SluiE limp iemuIIm dd mm my kh mm a芍伯rt Hmeg JU 199Dl?in mFfnp i SluiE limp iemuIIm dd mm my kh mm a芍伯rt

14、Hmeg JU 199Dl?in mFfnp i flfljFi mtijo 也150t*5(nry -mH 5*jn|F Fowl亡r由自Sulccl Ilk |FHr ! Filrnrau unkiMwiFLOW AlmulriM dm亡幺 shn time：05 DB 199D Ml QD DDSlop 1lme:06 00 199D VI 口 口口TeSlE.n|： 5Slvcr: EnuiiiiunicHlIun tile : dd mm yyyy hh am aSlBrt flme qq | sun 1Z W 00Sinp十一M QH 1幽叱更r Online viitHifiiA

15、ijQn r融putE WW3 Inpul II DuW圖13模型輸出結(jié)果設(shè)置下圖為最終的模型結(jié)構(gòu)設(shè)置，包括水位開邊界、水深、網(wǎng)格、 觀測點與觀測 剖面等信息。圖14圖14模型最終設(shè)置完成后的示意圖2.實例結(jié)果分析2.第一部分主要是對模型所需數(shù)據(jù)文件的制作，所需參數(shù)以及如何將模型所需數(shù)據(jù)輸入Delft3D進行計算。模型在經(jīng)過一段時間的運行計算之后，會生成相應(yīng)我們所需要的 模型輸出結(jié)果，包括流速、水位變化等方面的數(shù)據(jù)，之后要做的就是對所輸出的結(jié)果進 行分析。.流速分析流速(flow velocity )是指液體單位時間內(nèi)的位移。質(zhì)點流速是描述液體質(zhì)點 在某瞬時的運動方向和運動快慢的矢量。其方向與

16、質(zhì)點軌跡的切線方向一致。由于 在該模型設(shè)置時使用的二維模型，所以在結(jié)果輸出時只有水深平均速度(depthaverage velocity )。圖1為在模擬時間內(nèi)的流速分布圖，整個模擬區(qū)域的流速分布 圖。從圖中可以看出，該模型模擬的是一個潮汐通道的水動力變化情況。水流在從 外海向近岸傳輸過程中，水流速度在潮汐通道處始終保持高流速運動，最大流速可 以達到90cm/s ,其最小速度也在 40cm/s以上。另外，由于大部分流速在潮汐通道 被攔截下來，所以近岸處的流速普遍較低，基本除在1020cm/s的范圍內(nèi)；而外海的流速變化具有周期性，其流速變化可以周期性的增大或減小，這與其水深與開邊 界處的參數(shù)設(shè)置

17、有關(guān)。圖14流速變化的時空分布圖圖2為對四個點進行定量觀測后所獲得的流速變化曲線，從四副圖來看，其流速變化具有明顯的周期性變化特點，其中變化幅度最大的是 Obs4位置點，其最大流速可達100cm/s ,最低可達10cm/s; Obs2的變化幅度也較大，但是小于Obs4;其次為Obs3,最后是Obs1。通過對觀測點位置的分析可以看出，該模擬區(qū)域該模擬區(qū)域東北側(cè)的流速比東西側(cè)的流速較大，潮汐通道處的流速比北側(cè)的流速要大。圖15定點觀測下的流速隨時間變化圖.水位分析水位是指對水面高度周期性變化的描述，水位是反映水體水情最直觀的因素，它的變化主要由于水體水量的增減變化引起的。水位過程線是某處水位隨時間變化 的曲線，橫座標為時間，縱座標為水位。分別對水位的時空分布范圍與定點觀測水 位的周期性變化進行變化分析。圖3為水位在模擬周期時間內(nèi)的水位時空變化圖，從圖中可以看出，水位變化具有周期性的漲落趨勢，水位最高是在12時左右，其最高值可達200cm；水位最低約在 5時，最低值為-150cm。