固定邊界水流流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

王朝陽(yáng)

【摘 要】目前，對(duì)于河流數(shù)值模擬技術(shù)方法眾多，本文在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的SMS二維數(shù)值水流模擬平臺(tái)，并以金沙江陳家溪河段為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹先進(jìn)的固定邊界水流流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】SMS軟件平臺(tái)；二維流場(chǎng)；數(shù)值模擬

【Abstract】At present， the techniques of numerical simulation method is numerous， in this paper， based on this， the introduction of foreign advanced SMS 2-d numerical flow simulation platform， and in jinsha river Chen jia river section as the research object， and introduced advanced fixed boundary flow field numerical simulation technology.

【Key words】SMS software platform； A two-dimensional flow field； The numerical simulation

0 前言

目前，常用的研究方法還是以原型觀測(cè)與物理模型試驗(yàn)為主，但是，這兩種方法具有一定的局限性，原型觀測(cè)難以從一個(gè)整體的角度去研究水流動(dòng)態(tài)，往往只能研究一個(gè)局部的水流形態(tài)，而物理模型試驗(yàn)比例尺就是一個(gè)非常頭疼的問(wèn)題，常常在長(zhǎng)寬高、流速、流量、時(shí)間等因素采用正態(tài)比尺的情況下，試驗(yàn)場(chǎng)地的糙率，模型沙的直徑、重度都不能很好的采用正態(tài)比尺去匹配。

因此只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用相似的變態(tài)模型，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上失真。同時(shí)，物理模型要占用大片試驗(yàn)場(chǎng)地，耗時(shí)耗力，而模型數(shù)據(jù)則具有時(shí)效性，容錯(cuò)率較低，一次測(cè)量疏忽或者數(shù)據(jù)漏測(cè)，就有可能導(dǎo)致試驗(yàn)反工重復(fù)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，目前各高校以及科研單位都在努力開(kāi)發(fā)數(shù)值模擬計(jì)算軟件，以期通過(guò)建立水流平面二維模型，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。在此背景下，本文將以先進(jìn)的地表水流流場(chǎng)模擬軟件SMS為平臺(tái)，以金沙江陳家溪河段為研究對(duì)象，探討固定邊界水流流場(chǎng)數(shù)值模擬的步驟與過(guò)程。

1 模型建立

要建立水流平面二維模型，首先要導(dǎo)入電子坐標(biāo)底圖，然后按照自定義間距生成計(jì)算網(wǎng)格，并把電子坐標(biāo)數(shù)值離散到各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，然后再輸入包括上游流量、下游水位、糙率等控制條件，形成二維水動(dòng)力計(jì)算模型，檢查完相應(yīng)關(guān)鍵指標(biāo)后，由二維數(shù)值計(jì)算模型程序執(zhí)行計(jì)算命令，最后生成研究區(qū)域的水流平面二維流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

二維流場(chǎng)建立流程如圖1所示。

（1）導(dǎo)入底圖

導(dǎo)入底圖是建立模型的基礎(chǔ)，目前，底圖導(dǎo)入以CAD格式文件為主。

（2）定義網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，輸入數(shù)據(jù)

選擇網(wǎng)格類(lèi)型（考慮網(wǎng)格穩(wěn)定性，一般為三角網(wǎng)格），定義網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距，生成二維網(wǎng)格模型，隨后將高程數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入，并離散到各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。

（3）網(wǎng)格質(zhì)量檢查

在模型質(zhì)量檢查中檢查網(wǎng)格質(zhì)量，按照質(zhì)量好壞，其網(wǎng)格顏色依次為黑色、綠色、藍(lán)色、紫色、紅色，顏色越鮮艷表示網(wǎng)格質(zhì)量越差，需要手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

（4）模型控制條件輸入

模型控制條件包括模型邊界條件（如上下游水位、流量等等），以及模型參數(shù)（包括紊動(dòng)能系數(shù)、動(dòng)力傳遞系數(shù)、糙率等等）。

（5）模型計(jì)算運(yùn)行

點(diǎn)擊模型計(jì)算命令，由軟件平臺(tái)自動(dòng)完成計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果顯示與輸出

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以顯示流場(chǎng)、水位、水深等所需要的水利因子，本節(jié)以金沙江陳家溪河段為研究對(duì)象，以一年一遇設(shè)計(jì)流量為計(jì)算工況，將計(jì)算結(jié)果顯示列出（圖2）：

（a）流場(chǎng)分布

（b）水位分布

3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

選擇研究河段4個(gè)斷面，將實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比情況列于表1。

從表1計(jì)算精度實(shí)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，本文建立模型誤差率較小，能很好的滿足精度要求。

4 結(jié)論

隨著各高校、科研單位對(duì)水流研究的重視，對(duì)于水流數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展也逐漸提高，本文引進(jìn)先進(jìn)的SMS計(jì)算軟件，詳細(xì)的分析了固定邊界水流流場(chǎng)模擬技術(shù)，從模擬結(jié)果來(lái)看，本文建立模型誤差率較小，基本都控制在5%以?xún)?nèi)，能很好的滿足精度要求。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]