SMS地表水模拟软件使用说明.docx
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SMS地表水模拟软件使用说明
SMS地表水模拟软件的使用说明
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
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8
3、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。
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