Mike21C模型在河道水流计算中的应用研究.pdf

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1、Mike21C模型在河道水流计算中的应用研究1刘哲（1.交通部天津水运工程科学研究所天津300456）摘要：MIKE21是DHI公司在20多年来大量工程应用经验的基础上开发出来的系统化软件，可广泛地应用于海洋、河流、湖泊等领域的研究。本文引用松花江依兰枢纽平面布置定床模型试验资料，利用MIKE21C建立了依兰枢纽段的数学模型，经检验，计算结果令人满意，其精度可以满足工程应用要求。关键字：Mike21C,数值模拟,松花江,依兰ApplicationofMike21Cmodelinriverwayflo

2、wsimulation1LiuZhe(1TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineering;Tianjin;China)Abstract:Mike21isdevelopedbyDHICompanyonthebaseofmanyprojectapplications,andcanbewidelyusedresearchontheocean,riverandlake.TheauthorreferstophysicalmodeldataoftheSong

3、HuaRiverYiLanHingeandbuildsthenumericalmodelbyapplyingMike21C.Theresultsofsimulationaresatisfyingandaccordswiththedemandofprojectapplication.Keywords:Mike21C,NumericalSimulation,SongHuaRiver,YiLanMike21C（CurvilinearModel）是丹麦DHI公司开发的DHISoftware软件中的一个子模块

4、，也是专门针对河道水流泥沙计算所开发的模块。该模块采用网格生成技术，利用曲线网格来拟合不规则的河道区域，在网格生成上与mike21不同。1.计算模型：[1]Mike21C采用的是垂向平均的二维浅水方程，如(1)(2)(3)所示：∂Z∂p∂q++=0(1)∂t∂x∂y22dp∂Zgpp+q∂⎛∂()ph⎞∂⎛∂()ph⎞+gh+=h⎜E⎟+h⎜E⎟(2)22⎜⎟dt∂xCh∂x⎝∂x⎠∂y⎝∂y⎠22dq∂Zgqp+q∂⎛∂()qh⎞∂⎛∂()qh⎞+gh+22=h⎜E⎟+h⎜⎜E⎟⎟(3)dt∂yC

5、h∂x⎝∂x⎠∂y⎝∂y⎠2式中:h为水深，m；Z为水面高程，m；p、q为x、y方向的单宽流量，m/s；C为d∂∂p∂q1/2谢才阻力系数，m/s；g为重力加速度；E为涡粘系数；=++。dt∂t∂xh∂yh求解时，首先根据坐标变换，将上述笛卡儿坐标系下的方程变为曲线坐标系下的形式，如(4)(5)(6)式所示，然后利用有限差分法离散，ADI（AlternatingDirectionImplicit）算法求解。∂h∂P∂QJ++=0(4)∂t∂ζ∂η22∂p⎛Pp⎞⎛Qp⎞gpp+q⎛⎛p⎞⎞⎛⎛p⎞⎞

6、J+⎜⎟+⎜⎟+gh()yηZζ−yζZη+J22=h⎜⎜Dζ⎜⎟⎟⎟+h⎜⎜Dη⎜⎟⎟⎟(5)∂t⎝h⎠ζ⎝h⎠ηCh⎝⎝h⎠ζ⎠ζ⎝⎝h⎠η⎠η22⎛⎞⎛⎞∂q⎛Pq⎞⎛Qq⎞gqp+q⎛q⎞⎛q⎞J+⎜⎟+⎜⎟+gh()xζZη−xηZζ+J22=h⎜⎜Dζ⎜⎟⎟⎟+h⎜⎜Dη⎜⎟⎟⎟(6)∂t⎝h⎠ζ⎝h⎠ηCh⎝⎝h⎠ζ⎠ζ⎝⎝h⎠η⎠η式中：P=yp−xq,Q=xq−ypηηζζ2.网格生成Mike21C利用它的曲线网格生成器来制作网格，其原理是通过求解椭圆微分方程组来生[2]成正交曲线

7、网格。椭圆方程如(7)(8)所示，具体求解参考文献。∂⎛∂x⎞∂⎛1∂x⎞⎜⎜g⎟⎟+⎜⎜⎟⎟=0(7)∂ζ⎝∂ζ⎠∂η⎝g∂η⎠∂⎛∂y⎞∂⎛1∂y⎞⎜⎜g⎟⎟+⎜⎜⎟⎟=0(8)∂ζ⎝∂ζ⎠∂η⎝g∂η⎠[3]这里引用松花江依兰枢纽平面布置定床模型试验资料，计算区域如图1所示，利用网格生成器制作的网格如图2所示。指挥部丁K3丁4丁K37丁K4K30丁丁5K3K396丁K3丁138K3丁K32丁K31鲜族乡比2丁比3丁K29迎兰朝K3比1比40比9丁K2丁8K8丁丁K9K7比5丁K6丁K10丁比8

8、付家通K5比7丁K2丁K4比6倭丁K14丁K13水尺3肯依丁K1河福兰村兴制砖厂县牡丹江图1计算区域图2Mike21C生成的网格3.模型验证根据实测的大、中、小水三级流量及断面数据来率定模型的参数。计算边界条件：上游33333松花江分别给定流量5377m/s，1825m/s和1024m/s，牡丹江对应流量为1187m/s，765m/s3和103m/s，下游水位相应为94.45m，91.44m，90.07m；时间步长Δt=1s,计算15000步；计算过程中没有源汇项；涡