SMS地表水模擬軟件使用說明.doc

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驗室(United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory)和揚伯明翰大學(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軟件包及其強大的后處理功能作較詳細地說明。1 水動力模型的建立水動力模型建立的步驟如圖1所示：模型運行前處理程序電子地圖坐標 ASC地形信息文件計算網(wǎng)格生成程序二進制地形信息文件水動力模型數(shù)值計算程序二進制計算結(jié)果文件模型運行后處理程序水動力模型運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）圖1 RMA2二維水動力模型的工作流程1.1 輸入底圖 采用SMS進行地表水模擬時，首先要輸入較詳細的底圖。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，將地圖中隨機的三點的坐標輸入定位，使底圖與實際地形吻合；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格式的地圖。1.2定義節(jié)點具體操作如下：1、 點擊圖標增加節(jié)點，利用圖標選擇節(jié)點，以便對節(jié)點進行修改；2、 選中兩節(jié)點，在SMS8.1版本中在窗口下方偏右出現(xiàn)distance項為兩節(jié)點距離，如圖2所示。已知兩點距離，可在Node/Interpolation Option項中調(diào)整插入的節(jié)點數(shù)，根據(jù)實際情況插入節(jié)點。3、 節(jié)點坐標包括x、y、z值可在坐標框中輸入，確定節(jié)點的確切位置及高程，如圖3所示。圖2 兩節(jié)點間距離顯示圖圖3 節(jié)點坐標顯示圖1.3 構建網(wǎng)格1.3.1 網(wǎng)格的構建應滿足以下條件：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、 構建模型者所估計的流線平行；3、 三角形與四邊形注意過渡。邊界、流場復雜區(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 構建方法：1、手動添加網(wǎng)格單元: 選中三個節(jié)點，點擊，形成形如圖標的六節(jié)點三角形網(wǎng)格；選中四個節(jié)點，點形成八節(jié)點的四邊形網(wǎng)格；點分割四邊形網(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)格滿足適應流線，避免出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量的原則。2、通過節(jié)點線構造三角形、四邊形網(wǎng)格：節(jié)點如圖4所示，點連接節(jié)點線，三角形網(wǎng)格三邊界，四邊形網(wǎng)格四邊界，從起點開始，終點雙擊結(jié)束，形如圖5所示；最終，6條邊界的節(jié)點線如圖6所示。 圖4 圖5 圖6點選擇節(jié)點線，三邊界須構造三角形網(wǎng)格單元，選中三條邊界，在Element/Triangular Patch構造三角形單元，點Preview預覽，如圖7； 圖7四邊形網(wǎng)格構造與三角形網(wǎng)格構造大體相同，選其四條邊界，在Element/Rectangular Patch中構造,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，此方法適合構建大規(guī)模、結(jié)構簡單的四邊形網(wǎng)格。圖83、通過map模型，構造大規(guī)模的網(wǎng)格按切換至地圖模型，點在底圖邊界上繪制節(jié)點線，起始點單擊，在終點雙擊結(jié)束此條節(jié)點線的繪制,如圖9。繪制另一條相鄰的節(jié)點線時，軟件將自動識別節(jié)點之間的耦合性如圖10。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)點線，形如圖11所示。構建模型時，為了不同的材質(zhì)、地形可設置互相連接的若干個塊；連接完所有的塊，點feature objects/build polygons，這時，模型自動建立塊，但是從界面上看不出來。點再選擇你所要構造的塊，出現(xiàn)如圖12 所示的效果。接下來點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preview預覽。假如構造的塊含有4條以上的節(jié)點線，點選中某個你認為不必要的點（此點是節(jié)點線的起點或終點）在node option中選擇merge就可以把此點轉(zhuǎn)換成中間點，可進行下一步驟。最后點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)量檢查整個計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分完畢后，為使網(wǎng)格收斂，點擊圖標選中Mesh quality選項，對網(wǎng)格進行檢查，檢查內(nèi)容包括：1、三角形內(nèi)角滿足10150，四邊形內(nèi)角滿足30150；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)點地面高程大于水面高程時，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)省計算時間，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)果進行調(diào)整，具體步驟如下：1、首先將選項Nodes/Locked前面的對號去掉，以便可以任意移動節(jié)點；點擊圖標移動節(jié)點，直到該節(jié)點處不出現(xiàn)質(zhì)量問題為止；2、對于一些節(jié)點需改變其底高程，可在圖3節(jié)點坐標顯示圖中輸入適當?shù)闹?，直到不出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量；3、點擊圖標按逆時針方向，點擊需光滑的節(jié)點線起始點，按住Ctrl鍵點擊終點，然后點擊圖標選中需光滑的節(jié)點線，點擊Nodestrings/Smooth命令即可；4、此外，對于四邊形單元應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點擊New創(chuàng)建新材質(zhì)，點擊對話框中的ID、Name和Pattern可以定義不同的特性。2、選擇Element/Option，點擊Set default material可以設置默認的材質(zhì)。若需更改單元的材質(zhì)，可以點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 設置邊界條件1、利用工具，按下Shift鍵點擊起始點，最后雙擊終點即可創(chuàng)建節(jié)點串。然后利用工具點擊節(jié)點串，查看邊界線方向。入流邊界方向應朝向計算域內(nèi)，出流邊界方向應朝向計算域外。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，利用工具點擊節(jié)點串選擇RMA2/Assign BC分別設置入流和出流邊界條件。選項Boundary Condition Type中可以設置邊界的類型，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。一般進口處可以設置入流量和流速，出口處設置水位。1.7 模型控制參數(shù)設置模型控制參數(shù)的設置是用來定義水動力模型的初始條件的。選擇RMA2/Model Control打開模型控制對話框，參數(shù)設置具體步驟如下： 1、General選項：計算機類型Machine Type選擇第一項；Water Properties選擇中，Temperature設置水溫，Density設置水的密度，Specify initial water surface for定義模型出口初始水位，Specify 1D node initial condition設置初始水深和流速估計值；其它選項取默認值，如圖15所示。圖15 RMA2模型控制General選項對話框2、Timing選項：模擬類型Simulation Type中恒定計算選擇Steady state，動態(tài)模擬則選擇Dynamic；設置迭代次數(shù)Iteration For Flow Calculations/Initial；在Depth Convergence Parameters/Steady state depth選項中輸入模擬計算的收斂標準（一般取0.0001）；非恒定計算選擇Dynamic，迭代次數(shù)和收斂標準設置同上，并在Computation Time中輸入各項值。3、File選項：該選項中設計到文件的存儲功能。若是冷啟動，則保持選項中的默認值即可；若為熱啟動，則需在進行初次計算時打開Write hotstart按鈕，計算完畢后，系統(tǒng)會自動生成“*.hot”文件，若需要利用同一地形繼續(xù)進行計算，則可以打開Hotstart input按鈕，找到“*.hot”文件，便可進行熱啟動計算。4、Materials選項：該選項主要控制干/濕地的打開和關閉。5、Weather選項：該選項可以控制風效應、降雨、蒸發(fā)等因素對計算的影響。1.8 RMA2模型檢查上述操作完成后，便可進行RMA2模型檢查了。選擇RMA2/Model Check，然后點擊Run Check即可運行模型檢查。若出現(xiàn)錯誤，可根據(jù)提示進行修改；若無錯誤提示，剩下的可能提示就是對網(wǎng)格進行重新編號。此時可以利用工具點擊出口處節(jié)點串，選擇Nodestrings/Renumber命令即可對網(wǎng)格重新編號，文件存檔。1.9 模型運行 對網(wǎng)格進行重新編號后，便可進行模型計算。選擇RMA2/Run RMA2命令進行模型計算，若模型計算結(jié)果收斂，則計算框內(nèi)會出現(xiàn)“RMA2 finished”字樣；若模型計算發(fā)散，則會出現(xiàn)“Stop depth convergence exceed 25.0”字樣；此時必須重新對網(wǎng)格進行檢查，可以通過修改網(wǎng)格、修改參數(shù)設置等措施使網(wǎng)格最終收斂。具體操作如下：1、打開網(wǎng)格質(zhì)量顯示Mesh