水动力模型软件Delft3D操作过程与实例分析

1、水动力模型软件Delft3D操作过程与实例分析基于Delft3D-Flow 模块的三维模型垂向在网格使用的是笛卡尔Z坐标，是基于二维浅水方程对不可压缩粘性流体求解Navier Stokes方程，在浅水和方程假设下。在垂直动量方程中，忽略了垂直加速度，导致了静水压方程。在3D模型中，垂直速度是从连续性方程计 算出来的。在有限差分网格上求解与一组合适的初始边界条件相结合的偏微分方程组连续方程：垂向二维平均连续性方程如下其中，Q表示单位面积上的源、汇通量，以及降水和蒸发的影响。水平方向上的动量方程在已和刀方向上的三维动量方程如下：为垂向紊动粘性系数，与水体的动粘度和三维湍流闭合模型计算得到的三维紊动

2、粘性 系数有关。R和P”代表两个方向的压力梯度，动量方程中Fe和f代表水平雷诺应力的非平衡量，M和肌代表源汇项。泥沙输运方程对于河口海岸中溶解性物质、盐分、热量的输运， delft3d-flow解算了三维平流-扩散方程，并考虑了一阶衰减过程。 输运方程在水平曲线正交网格和垂向坐标系以守恒形式表示。其中DH是水平扩散系数，D/是垂向扩散系数，d代表一阶衰减过程。1,水动力模型构建过程网格搭建设置工作空间工作空间(working directory )是Delft3d 运行的工作文件夹，选择正确的工作空间可以提高计算效率，减少失误。该课程论文以Delft3D自带的实例操作为主，因此在这里选择文件夹

3、：D:Delft3D 4.02.01tutorialflow导入陆地边界陆地边界相当于海岸线， 该处的作用主要为规定划分网格和模拟区域。在菜单栏选择 File-attribute-open land boundary ,打开 文件，打开后 显示如图所示。图1陆地边界示意图绘制曲线(spline )曲线是沿着陆地边界绘制而成，曲线的主要功能是生成网格，因此在绘制曲线的时候，曲线的范围要比陆地边界的范围大。操作步骤：在菜单栏点击 Edit-spline-edit ,首先沿陆地边界拖动鼠标，在陆地边界外围绘制曲线， 绘制完曲线右击鼠标完成一条曲线；然后在网格内部绘制等距曲线，右击结束。结果如图所示图

4、2 spline 曲线示意图根据曲线生成网格在菜单栏单击operation- grow spline into grid,这是网格会按照曲线自动生成。需注意的是，此处生成的网格并不能直接用于模型计算，还需要对网格进行调整。自动生成的网格如图所示。网格后处理网格移动、扩大与缩小按住ctrl键然后移动鼠标可以自由移动网格；鼠标滑轮可以对网格进行 自由缩放。网格加密与稀疏在菜单栏单击 operation- regular grid coarseness- refine为力口密网格，derefine 为网格稀疏。加密的行列数可以在 setting 里设置网格正交化网格正交化主要针对的是网格与网格之间的

5、垂直程度，单击菜单栏 operation-orthogonalise ,可以直接对自动网格进行正交化处理。网格平滑度处理网格平滑度是指网格与网格之间的长宽比，最完美的情况是网格内部所 有小网格大小完全一致。操作步骤：Edit-regular grid-block smooth ,单击之后没有变化，此时，分别单击需要进行平滑处理网格的两端，然后右击鼠标，就会自动进行平滑处理。图3初步生成网格示意图网格精度检验正交性网格正交性以余弦值作为参考值，其最合适的取值范围为v0.02，但是最大不能超过0.05 ,否则计算结果会出错。平滑度平滑度的取值范围为10%20%经过以上步骤调整后，得到网格即为模型计

6、算所需要的网格，完成之后结果如下图导出网格图5完成网格示意图网格导出功能在file 菜单栏，单击export ,选择保存路径直接保存即可。导 出网格包含两个文件，分别是 .grd和.enc。水底地形文件水深数据的生成是在生成网格的基础上，将离散水深点通过插值离散的方式赋值到网格，进而以面的形式表现出来。因此，要生成水深数据需要两种基础数据，分别是网格（前期以做好的网格）和离散水深点。制作水底地形文件用Delft3D 中的Quickin 工具，首先打开 Quickin 。导入陆地边界、网格与水深点陆地边界在这里作为一个辅助边界进行展示，仅作为可视化的形状。导入方法：File-attributes

7、 ,导入陆地边界选择 import land boundary（选择文件mar_01.ldb ）,导入水深点选择 imprt sample （选择文件 mar_02.xyz ）。之后选 择相应文件确定即可。导入网格：File-import grid ,选择以生成的网格即可。（选择网格文件mar 02.grd ）。图6离散水深点示意图图6离散水深点示意图水深点插值形成水底地形文件导入完成的陆地边界、网格和水深如图所示。之后对水深点进行插值即可得到水底地形。操作：菜单栏 operations-triangular interpolation saavnnuoDU saavnnuoDU图7插值水深成

8、品示意图导出水深完成插值后需要对水深进行导出，以便于输入模型。操作：File菜单栏-export-exprt depth 。导出的文件为.dep格式的文件。需要注意的是，一个网格只对应一个水深数据。输入模型参数将之前做好的网格与水深数据以特定方式输入模型中，作为一个模型运行的基础；输入模型的开边界作为整个模型运动的驱动因素；规定模型的计算间隔与模拟结果输以满足验证数据的出的时间间隔；除此之外，还需要对模型中的参数进行计算调整, 需要，以验证模型的精确性。模型文件及参数输入界面如下图所示。以满足验证数据的导入网格与水深（domain）首先导入模型网格与水深数据。Fl ：wkm-AWiHl- 1M

9、 *WpDiuthnMuhbJUriNiwJ paiinrm图8 Flow模块设置主界面网格（grid ）主要输入.grd与.enc两种格式的文件；除此之外还需定义所在纬度，以考虑科氏力对模型的影响；由于现在构建的是一个二维模型，因此在number of layers一栏输入1,代表二维模型。见左图。水深（bathymetry ）则主要输入之前生成的水深文件。直接在 file 菜单下 选择相应的.dep水深文件即可。完成见右图。HQ :EE- -imr waAmi uri JX I设置模型计算时间图10模型时间参数设置在模型计算时间方面，将计算间隔设为5分钟，区时采用默认为0。计算长度为1天，

10、为1990年8月5日至1990年8月6日，具体时间设置见下图。设置模型初始值模型初始值代表模型在开始计算之前的状态，在这里设置水面初始值为 0,代表模型为冷启动方式。在冷启动方式下，模型在开始时的变化可能会比较剧烈，但是一段时间之后会逐渐趋于稳定。设置模型边界在边界条件设置上采用动边界条件作为模型的驱动条件。边界条件为根据已有的潮汐数据对水位变化进行调和而成。具体边界条件类型以及设置条件见下图。设置物理参数(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图11模型开边界条件设置模型运动需要设置的物理参数比较多,如重力加速度、水体密度、水底粗糙模型运动需要设置的物理参数比较多,如重力加速度、水体密度、水底粗糙度、边界粗糙度、水体粘滞系数等。因为该模型为度、边界粗糙度、水体粘滞系数等。因为该模型为Delft3D的示例，所以在物理参数方面不做调整，直接采用De

12、lft3D参数方面不做调整，直接采用Delft3D给出的默认值即可。设置观测点与观测剖面(monitoring )frttivBllMiB 曲wguui | :nrt/frttivBllMiB 曲wguui | :nrt/日中亡M .1同1W图12模型观测点与观测剖面设置界面观测点与观测观测剖面的设置主要针对的模型的结果，在对网格节点上添加观察点，可以对指定位置的模型结果进行定量观测，并将结果作为单独的文件进行存储，这在很大程度上可以在后期通过对特定点位置的结果进行分析，或者与模型验证数据进行比较，从而调整模型参数，提高模型结果的精度。具体的观察 点设置结果如下图所示。模型结果输出设置模型结果

13、的输出有两种形式，分别是 map results 与history results 。 history results主要是基于上一步设置的观察点与观测剖面而言的结果，mapresults则是指在网格的基础上形成的面状动态显示的结果。两种结果都是模型输出的重要形式，各有侧重点，都是结果输出的重要部分。在输出设置方面，需要对输出结果的时间间隔与时间范围进行定量的规定，最终模型输出结果的设置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图13模型输出结果设置下图为最终的模型结构设置，包括水位开边界、水深、网格、 观测点与观测 剖面等信息。图14图14模型最终设置完成后的示意图2.实例结果分析2.第一部分主要是对模型所需数据文件的制作，所需参数以及如何将模型所需数据输入Delft3D进行计算。模型在经过一段时间的运行计算之后，会生成相应我们所需要的 模型输出结果，包括流速、水位变化等方面的数据，之后要做的就是对所输出的结果进 行分析。.流速分析流速(flow velocity )是指液体单位时间内的位移。质点流速是描述液体质点 在某瞬时的运动方向和运动快慢的矢量。其方向与

16、质点轨迹的切线方向一致。由于 在该模型设置时使用的二维模型，所以在结果输出时只有水深平均速度(depthaverage velocity )。图1为在模拟时间内的流速分布图，整个模拟区域的流速分布 图。从图中可以看出，该模型模拟的是一个潮汐通道的水动力变化情况。水流在从 外海向近岸传输过程中，水流速度在潮汐通道处始终保持高流速运动，最大流速可 以达到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 被拦截下来，所以近岸处的流速普遍较低，基本除在1020cm/s的范围内；而外海的流速变化具有周期性，其流速变化可以周期性的增大或减小，这与其水深与开边 界处的参数设置

17、有关。图14流速变化的时空分布图图2为对四个点进行定量观测后所获得的流速变化曲线，从四副图来看，其流速变化具有明显的周期性变化特点，其中变化幅度最大的是 Obs4位置点，其最大流速可达100cm/s ,最低可达10cm/s; Obs2的变化幅度也较大，但是小于Obs4;其次为Obs3,最后是Obs1。通过对观测点位置的分析可以看出，该模拟区域该模拟区域东北侧的流速比东西侧的流速较大，潮汐通道处的流速比北侧的流速要大。图15定点观测下的流速随时间变化图.水位分析水位是指对水面高度周期性变化的描述，水位是反映水体水情最直观的因素，它的变化主要由于水体水量的增减变化引起的。水位过程线是某处水位随时间变化 的曲线，横座标为时间，纵座标为水位。分别对水位的时空分布范围与定点观测水 位的周期性变化进行变化分析。图3为水位在模拟周期时间内的水位时空变化图，从图中可以看出，水位变化具有周期性的涨落趋势，水位最高是在12时左右，其最高值可达200cm；水位最低约在 5时，最低值为-150cm。