Delft3D模型介紹及模型建立

1、Delft3D模型介紹及模型建立3JDelft3D模型介紹Delft 3D肚II麗覽界上塩為先進(jìn)的窕全的三維水動(dòng)力一水質(zhì)模型系統(tǒng)該系統(tǒng) 8非常精隣地進(jìn)tf大尺度的水謊【Flow)、水動(dòng)力(Hydrettynamics),渡浪(Waves) 泥沙(Moiphology).水碩(AVaq)和生態(tài)(Eco)的計(jì)算DdftlD采用Delft it 算搐式，快速血總疋*完全保證丿04 動(dòng)址和能啦守恒(見ffl3-l)n岳處理工展GPP1 3-1 DelftFi 各玉 1 Dslft modelDdft3D系統(tǒng)在國際上應(yīng)用的I分泛，如但菇欽洲，罷洲、菲洲*澳洲等務(wù) 彷HI家.尤其是美國已經(jīng)有很長(zhǎng)的應(yīng)用歷史

2、.Delft3D故80年代屮期”始在內(nèi)陸 也肓越來越荽的應(yīng)用如氏江口.杭州灣、渤海灣、滇池、遼河、Jlfte-此 外Delft3D已鏡慮為很蜜國際著名的水、環(huán)境存詢公司的青力工具.如DHV. Witteven+B oss、Royal Haskoning、Hdcrow 1；仝 <d 3.1.1坐標(biāo)系統(tǒng)3.1.1.1水平方向Delft3D-FL0W在水平方向提供了三種坐標(biāo)系統(tǒng)：笛k爾1*1.標(biāo)系（吋）、 止交山1線坐標(biāo)系（Q）、球血坐標(biāo)系（入。）o河流邊界、河口海岸都是曲線狀的,矩形網(wǎng)格不能平滑地把它們描述出來.不規(guī)則邊界在離妝時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差。為了減小這種誤差，可以采用貼體的正交曲線

3、坐標(biāo)系統(tǒng).球IRI坐標(biāo)系則JZiil：交曲線坐標(biāo)系的一種特姝形式Delft3D-FL0VV中的方用卅；建立在正交曲線坐標(biāo)系統(tǒng)中阿°阪 uRcosg（34）何7=尺氏中兄是經(jīng)度.。是緯度.R是地球半徑（6370k/w）o3.1.1.2垂直方向在垂直方向中.Delft3D-FL0W 供了兩種不同的坐標(biāo)系：b塑標(biāo)系和笛卡爾 Z坐標(biāo)系。 1） o坐標(biāo)系在整個(gè)水平計(jì)算式里面,分層數(shù)是固定的,不考慮水深的影響。層厚值的選 取-般是不固定的，也就盤味著需要在靠近衷面（特別是仃風(fēng)成流、與大氣進(jìn)行 熱交換時(shí)）和床面（泥沙輸運(yùn)）的區(qū)域里劃分得更細(xì)一些.c坐標(biāo)能夠很好地適 應(yīng)底面和自由移動(dòng)表面的邊界.人們

4、因此獲得了一種半滑地描述地形的途徑測(cè)./坐標(biāo)系的定義:(3-2)o =” = d+J HH =d*（3-3）其中：二表示匪向坐標(biāo)<表示n參考平而起算的n由奇程d表示參考¥ifii以卜的水深H表示總水深底面處Q=-l,I由表面處0=0。（2）笛匸爾坐標(biāo)系（Z型網(wǎng)格Z-gnd）在海岸、河口及湖邊，分層流會(huì)出現(xiàn)在陡蠟的底而地形附近。雖然。網(wǎng)格在 垂直方向是適合邊界的,但它在密度躍層附近沒育足發(fā)高的解析度。Z坐標(biāo)系統(tǒng) 劃定的水平坐標(biāo)線與陡坡底面的密度面平彳J：（即等密度線）。z坐標(biāo)系統(tǒng)在豎向與底 Iff邊界是不一致的,底面邊界和白由水1（11的坐標(biāo)線通常是不會(huì)平行的，而是呈樓 梯狀（折

5、線邊界見圖3-2）【"L圖32 坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系比校圖Fig.3-2 Cainpaie -cooidinatesto tiie Z-gid3.12 -維基本控制方程在正交曲線坐標(biāo)系靈n卜，二維水流運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程、動(dòng)展方程及物質(zhì)運(yùn)輸 方程町分別農(nóng)示為陰：(3-4)(3-5)(3-6)3（d+GC1»（dX訣毛詁細(xì)顯訥(3-7)d+<(#-4)(#-4)v分別是垂其中.Q表爪單位面枳的源或匯流雖.個(gè)為水位：川為水深：心 向平均流速在 和方向上的分雖："瓦=&汪幣和馬二&；+冗表示笛k爾坐標(biāo)系（J）與正交曲線坐標(biāo)系（& 4）的坐標(biāo)變換系

6、數(shù)：P為水的密度：&和 片分別為V和"方向的靜水壓力梯度:斤和片分別為 和"方向的素動(dòng)動(dòng)雖通星: /為柯氏力參數(shù).由緯度值和地球門轉(zhuǎn)角速度決定：/=28山0：分別 代表G 方向的源或匯的動(dòng)呈：S=Has-q） H = d« 么和也表 示十地單位源或匯的量：c比和 j技示流入和流出的汚染物濃度。3.13初始條件和邊界條件（1）初始條件采用“冷啟動(dòng)” 67,流速為零和“曲水浙為靜止的狀態(tài).HU：(3-S)S斗=0%小=片（2）(3-9)(2)開邊界條件采用Dinchlet條件【岡：(3-9)(3-9)(3) 固邊界條件采用Neumann條件.門由滑移條件閉邊界

7、法向流速為零:(3-10)(3-11)M = v = 0(4) 動(dòng)邊界何:如 |“ =血 |r-l = 03.1.4數(shù)值計(jì)算方法Delft3D-FLOW所采用的數(shù)值方法是仃限Z：分方法(Finite Difference Method) FDM以Taylor級(jí)數(shù)展開等方法，把拎制方程中的微商用差商代桿進(jìn)行離散，從而 建2代數(shù)方程組來求解。該方法數(shù)學(xué)概念立觀，表達(dá)簡(jiǎn)單，其解的存在性、收斂 性和思定性早已竹較完善的研究成果.是比較成熟的數(shù)值方法，H前應(yīng)用較廣.由于實(shí)際應(yīng)用中采用的時(shí)間和空間差分形式不同,差分法又可以分為顯式、 隱式和顯一隱式交萍等方法顯式差分格式是指任一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的待求因變雖在 新

8、的時(shí)間匕的值可以通過已知時(shí)間層上變童值顯式解出。顯式差分格式應(yīng)用較早、 簡(jiǎn)L可避免試算，但為了保持其穩(wěn)定性，協(xié)嚴(yán)格遵守柯朗條件(£為 波速，C =莎",UP At. Ax受穩(wěn)定性的約束，必須在一定范國內(nèi)。隱式差分 格式是指未知網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的待求變量不能宙已知時(shí)何層的旳數(shù)值血接求出，還需 同-時(shí)間層相鄰巧點(diǎn)換敵值(未如)作為們息，通過聯(lián)立求解方程組才能鮒到未 知量的解.從理論上講，隱式格式是無條件穩(wěn)定的,但在實(shí)際應(yīng)用中,由于空間、 時(shí)何步長(zhǎng)為仃限秋，其時(shí)間步長(zhǎng)也竹一定的限制.隱式差分格式的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間步 長(zhǎng)町以取得校大，穩(wěn)定性能好，但需要建立復(fù)朵.編程雄：需要大呈的矩陣運(yùn)算， 同

9、-時(shí)間步長(zhǎng)里比顯格式耗時(shí)久:較大的At會(huì)導(dǎo)致較大的截?cái)嗾`差.交替方向隱式法(ADI)是由Douqlace和Racliforc 1955年捉出的，后來被Leendertse結(jié)合交替網(wǎng)格建立起來并首次用計(jì)算平面二維流場(chǎng).ADI方法是種 顯一隱格式交替使用的有限差分格式,該方法同時(shí)具有顯式和隱式兩種差分格式 的優(yōu)點(diǎn)，與完全隱式格式相比較，毎一時(shí)間步驟不需都耍求解一個(gè)大戰(zhàn)代數(shù)方程 組.因而所需的內(nèi)存少，計(jì)算呈也相應(yīng)減少同時(shí)ADI法不像顯格式那樣，在計(jì) 雋屮易出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)線.因?yàn)轱@、隱格式在坐標(biāo)軸上交苗使用.使誤差的增長(zhǎng)雖相 互抵消.因此ADI法有較好的計(jì)算穩(wěn)定性和計(jì)算耕度.前已廣泛應(yīng)用在河道及I汐河口計(jì)

10、算中.網(wǎng)格物理意義見圖3-3«圖3-3網(wǎng)格物理意渋圖示Fig3-3 Definition of tlie vail able sin the 孚 ids其中：實(shí)線:計(jì)算網(wǎng)格虛線:具仃相同坐標(biāo)的交錯(cuò)網(wǎng)格+ :水位、濃度、鹽度、溫度-:X向水平流速I : y向水 流速:平均深度卜水位為了離散方程，水位C和速度（n.v.w）（見圖3-4）按ArakawaC-gnd（ 圖3-5）圖34 由不規(guī)則物理城生成矩形計(jì)尊網(wǎng)格示意圖Fig3-4 Generated by the icegda physical domain dia am of rectanglai campirtatiaiial gi

11、d圖35水位與流量等物理量在空間計(jì)於網(wǎng)恪中的希蒐Fig3-5 Layout fonns of the watei level mid file velocity intlie calculated 咎idsDelft3D-FL0W模型采用的ADI法分兩步進(jìn)行時(shí)何積分第一步，對(duì)pe到的詢丫:個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，先列解出方向的動(dòng)呈方程，然 后將CZ-方向的動(dòng)圮方程和門由表面梯度下的連續(xù)方程聯(lián)立求解此時(shí)實(shí)際的模擬時(shí)間為從心仙到r = (f + b& 0u -U1-.+11j -+!-+-AU X + -AU +BU ' =d9x91-2V一一第一.步對(duì)十0 + ；到+1的后F個(gè)時(shí)何步長(zhǎng)，先列

12、解出C7-方向的動(dòng)圮方用.然后將7-方向的動(dòng)量方程和門由表Ifll梯度卜的連續(xù)方程聯(lián)立求解卩久(3-13)其中0 0(3-14)dxA= f(3-15)4 0 00 0 4(3-16)1 .'-H 卜u 2 +-4 U +BU =d 0 1 0 1幾為線性化的底部摩阻系數(shù).d為外部作用力.如風(fēng)和大氣壓力作用.3.2二維模型建立3.2.1計(jì)算范囤和網(wǎng)格木研究所建立的二維模型的計(jì)算范西起江陰,東至I】外8m等深線附近, 南至南匯嘴,北至連興港北側(cè),包括了整個(gè)長(zhǎng)江口水城。東兩向即離約為210km, 南北向約為110km，網(wǎng)格由Delft-Rgfgnd模塊進(jìn)行處用，模型網(wǎng)格數(shù)為565x191,

13、 最小網(wǎng)格間距是300m.最大為1200m （見圖3-6）.:tOOOO 275.0DC XC.000 525.000 J5D.OCO 375J3O0 <00.000 425X)00 <50.000：111111 5W0CO3540. QCO$520 CCOJWO.OCOWOOOO-M40.000-542000)3560 OMH20OWJ6000W>W0WXGOOW5440030血0802WQ00 275.0DC XCUMO 525 00D J3QCC0 50)0 <00 0« <2000 *W.Q30圖？6模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.3-6 Layout of

14、 tlie computational 孚ids3.22模型參數(shù)選取模型上、卜邊界均采用水位控制（其中下邊界的潮位由8個(gè)主要分潮的調(diào)和 常數(shù)求得）.初始條件的水位值設(shè)置為與上邊界初始時(shí)刻水位值致.物理參數(shù)重 力丿川速度和水密度均采用狄認(rèn)值：9 Slm/s2 111 1000kg/m3：底靡擦系敵選擇Manning 公式,按線性插值取n=0.01+0.01/H：水平渦動(dòng)粘性系數(shù)設(shè)置為20n?/s,水平擴(kuò)敬 系數(shù)取10m2/s.計(jì)算步長(zhǎng)為60s：33模型的率定和驗(yàn)證3.3.1模型率定計(jì)算選用2002年3月4日00: 00-2002年3月5日23: 00枯水期孑水文站的實(shí)測(cè)水位及流速資料対模空進(jìn)（見

15、圖3-7）.3/< 0:003/5 0:00:-3/6 0:00圖3-7模型計(jì)算區(qū)城內(nèi)筍分測(cè)站點(diǎn)的水佼與浣速過段率定圖（ 2002年）Fig.3-7 Comparison of measured and cainputedwrter levels and tidal cun ents at differentstations （in 2002）332模型驗(yàn)證計(jì)算選用2004年9月3 H 14: 00 - 2004年9月4日18: 00中潮時(shí)江陰至崇頭的實(shí)測(cè)水位和流速資料對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證（見圖3-8）.3®*1 C2SX-B)算沆09/3L2:009/4 12:00t/h3疋豐5；矣。二2 (gg _* 1o r9/3V12:00 9/4 12:00t/hSa$三豐衛(wèi)勺sas