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Delft3D在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用

来源:爱go旅游网
第27卷第6期第20076期年12月

水文Vol.27No.6Dec.,2007

JOURNALOFCHINAHYDROLOGY

Delft3D在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用

左书华

(交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456)

摘要:Delft3D是以FLOW水动力模块为主体,建立在Navier-Stokes方程的基础上,由一系列模块组成的模型软件,可

以对水流、波浪、泥沙、水质、地貌等建立二、三维模型。本文介绍了Delft3D数值模拟软件的程序模块及数值理论基本方程,对鳌江口外平阳咀海域的流场进行了模拟研究。研究表明:计算结果与实测结果吻合较好,能够较好地反映该海区真实的流场情况,可以为工程研究提供基本的流场背景。关键词:数值模拟;Delft3D;河口海岸工程;应用中图分类号:P338+.9

文献标识码:A

文章编号:1000-0852(2007)06-0055-04

传播、非线性波浪之间的折射以及由于形条件下,波浪的产生、

波浪破碎和底摩擦引起的耗散。此模块里主要包含着两个模型,HISWA波浪模型和SWAN波浪模型,SWAN模型可以研究宽阔海域中的波浪,而HISWA模型主要研究近岸波浪,其中

随着计算机技术的发展,数值模拟技术也得到空前的发展,数值模拟是综合流体力学、计算机数学以及各种生产应用技术而发展成长起来的一门科学。它具有耗资省、速度快、修改灵便等优点,其应用的领域已日益广泛,在研究河口及河口工程的可行性方面也越来越普遍,并被工程界所认可和采纳。目前国际上应用较多的河口海洋数值模拟软件有美国普林斯顿大学的

HISWA模型是Delft3D提供的标准波浪模块,不过SWAN模型

也是可以用的。

(3)质点跟踪模块PART。它能通过及时的质点跟踪评估一个动态的浓度分布过程,用浓度等值线的形式来详细描述盐度、油、温度或其他极易衰减物质的瞬间或连续释放过程。主要应用在近岸污水排放、海上溢油扩散、河口赤潮的发生、以及电厂的热力排放等方面。

它是一个三维的水质模拟框架,它能解(4)水质模块WAQ。

决预先确定好的计算网格里的水平对流扩散问题,它的水流信息来自Flow模块。它可以用来模拟营养盐、有机物质、溶解氧、重金属等问题。BOD、COD、

POM、ECOM模式,丹麦水力学研究所的MIKE21软件,荷兰DELFT水力学研究所的Delft3D软件,还有美国Brigham大学环

境模型研究实验室开发的SMS软件等等。

Delft3D软件是由荷兰DELFT水力学研究所开发的,集水

流、泥沙、环境于一体的程序软件包,既可以进行二维计算,也可以进行三维计算,可以进行潮流泥沙输移计算、台风风暴潮计算、温排水计算、水质计算、溢油扩散、质点跟踪模拟等。

1Delft3D包含的程序模块

Delft3D软件是由一系列模块组成,具有高度的可视化性,

每个模块都有自己单独的可视化界面,图1为Delft3D3.26主菜单界面。Delft3D主要包括:水动力模块FLOW、波浪模块水质模块WAQ、泥沙输移模块SED、地形模块MOR、质WAVE、

点跟踪模块PART、生态模块ECO、化学模块CHEM、工具模块

Utilities,其中在3.26版本里SED、MOR模块包含在水动力模块

生态模块ECO包含在WAQ里。FLOW里,化学模块CHEM、

(1)水动力模块FLOW。Flow模块是一个三维的水动力和输初运模块,也可以进行二维计算,在此模块里,给定开边界条件、始条件以及有关的参数,如水位、流速、流量和糙率等,关于泥沙和地形的计算也包含在此模块里。与此模块相关联的模块有

WAQ、WAVE、PART。

地(2)波浪模块WAVE。此模块主要是用来研究一定水流、

收稿日期:2007-03-27

作者简介:左书华(1979-),男,河北邯郸人,硕士,主要从事河口海岸泥沙及海岸工程研究。

图1

Delft3D3.26主菜单界面

56

水文第27卷

物质传输方程

传输方程在平面上采用正交曲线坐标系,垂向上采用&坐

另外,软件还包含着一些前期、后期处理的程序,如网络生产、处理程序RGFGRID和QUICKIN;后期图像显示与处理程序

2.3

GPP和QUICKPLOT;潮汐调和分析程序TIDE。标系,方程如下:

2Delft3D软件数值模型理论基础[1]

Delft3D是以Flow水动力模块为主体的多模块模型,水动

!(d+\")c+1

!t!Gξξ!G$$!%!G&$$(d+\")uc

$!\"$(!Gξξ(d+\")vc

$$ξξ

力模块建立在Navier-Stokes方程的基础上,求解基于有限差分法—ADI(AlternatingDirectionImplicit)法[2]。

!ξADI法实质上是把时间步长Δt分成2个半步长,前半步在

方向用隐格式,η方向用显格式,后半步在η方向用隐格式,在ξ

方向用显格式,这样可以把较大的系数矩阵化为2个三角形ξ

系数矩阵,可用求解。“追赶法”

,η),在垂直Delft3D基本方程是建立在正交曲线坐标上(ξ方向上采用&坐标,表示如下:

d+\"!Gξξ!G$$

!D!G&%!G!ξ+!%c=’!&!$!cD!G!c$+!%$’!$!$!G!$H

ξξ$$

!c

+1!cDV-’d(d+\")c+S

!&d+\"!&%$(6)

式中:!Gξ!G$$为曲线坐标系至直角坐标系的转换系数;ξ、、、U、V分别为ξ$方向的平均流速;u、v和%分别为ξ$和&方向的流速;f为科氏力系数;Pξ和P$是ξ、$方向压强梯度;Fξ和

(1)

、、$方向的紊动动量通量;Mξ和M$分别是ξ$方向上动F$是ξ

量的源或汇;c为保守物质浓度;S为源汇项,’d为第一项衰减。

&=z-\"=z-\"

d+\"H式中:z为在垂直方向的坐标,在模型参照平面上取为0,往下到底部为d;d为相对模型参照平面的水深;\"为相对于模型参照平面的水位;H为全水深,H=d+\"。

3Delft3D在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用

在河口海岸工程的研究中,数学模型已经成为重要的研究

2.1连续方程

沿水深积分平均的二维潮流连续性方程:

手段,逐步替代了过去必须是物理模型试验才能解决的问题,而且应用范围越来越广,几乎涉及河口海岸工程的所有分支。

$!%(d+\")U!Gξ!\"+1ξ

!!t!Gξξξ!G$$$!%(d+\")V!Gξ1ξ

=Q

!$GG!ξξ!$$

纬度;R为地球半径。

(2)

Delft3D数值模拟软件在河口海岸工程中的应用也越来越广,储

天文潮鏖[3]利用Delft3D以长江口地区为例建立了台风风暴潮、耦合数值预报模型,对台风风暴潮、天文潮两潮耦合预报模式进行探研和分析;刘成等[4]利用Delft3D对长江口水动力条件,上海市现有及拟建排放口污水排放的稀释扩散场进行了模拟;栗苏文等

[5]

式中:Q为每个单元上的源项;!Gξξ=RCOS),!G$$=R;*为

在污染源调查和污染负荷估算的基础上,利用

[6]

2.2动量方程

,$方向的动量方程为:ξ

Delft3D对大鹏湾现状和未来条件下的水质进行了数值模拟,并

采用模型试算法估算出大鹏湾的水环境容量;黄坚等江口流场的影响进行研究。

应用

!u+u!u+v!u+%!u

ξd+\"!&!t!Gξ!!$!G$$ξ

uvv2!!Gξ!!G$$-fvξ

+-

!$!ξ!Gξ!Gξξ!G$$ξ!G$$

1=-Pξ+Fξ+12!(vv!u)+Mξ

(d+\")!&!&+0!Gξξ!v+u!v+v!v+%!vξd+\"!&!t!Gξ!!$!G$$ξ

uvu2!!G$$-!!Gξξ

+-fu

!ξ!$GGG!Gξ!!!ξξξ$$$$

1=-P$+F$+12!(vv!v)+M$

(d+\")!&!&+0!G$$

垂向速度%在&坐标系中由下式计算得出:

Delft3D通过数值模拟深水航道工程及横沙东滩促淤工程对长3.13.1.1

(3)

二维潮流数学模型的建立边界条件

图3。最大网格间距500m,最模型计算区域及网格如图2、

小网格间距80m,南、东、北三侧为开边界,有潮位过程控制,潮位由中国海域潮汐模型[7]计算给出;由于鳌江口流量较小,给一多年平均流量值65m3/s。

3.1.2初始条件和参数选取

初始条件为上节方程初始时刻的潮位和流速,计算时取流

(4)

速为0;初始潮位取各边界的平均值。根据海域水深不同,海底糙率取0.018~0.022。水平涡粘系数和扩散系数均取100m2/s。

3.1.3模型建立过程

本文应用Delft3D对鳌江口外平阳咀水域进行了二维潮流

!\"(d+\")u!G$$1!\"+

!t!Gξ!ξξ!G$$

#(5)

数值模拟,过程主要包括:①根据陆地边界在RGFGRID里生产网格文件;②根据实际需要在QUICKIN里对网格文件进行处理,如水深文件的生产、糙率的设定、观测点的设置等;③然后

$!%!\"(d+\")v!Gξ1ξ++=H(qin-qout)

!$!&GG!ξξ!$$

第6期左书华:Delft3D在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用

57

琵琶门

计算实测

在水动力模块Flow里输入网格文件、水深文件等,设置时间、初始条件、给定开边界和各种参数,生成mdf文件,进行运行调试。

5.00

0.00

12:0016:0020:000:00-5.005.00

0.00

12:0016:0020:000:00-5.00

图4

4:00平阳嘴

8:0012:0016:0020:00

计算实测

4:008:0012:0016:0020:00

潮位站潮位验证(大潮)

计算实测

3.002.001.000.0014:003.002.001.000.0014:00

18:00

22:00

18:00

22:00

1#

6:002#

10:0014:00

计算实测

2:003#

6:0010:0014:00

计算实测

3.002.001.000.0014:00

18:00

22:00图5

2:006:0010:0014:00

测站潮流流速验证

400300200100014:00

360300240180120600

1#

计算实测

18:0022:002:002#

6:0010:0014:00

计算实测

14:0018:0022:002:003#

6:0010:0014:00

计算实测

3.2模型验证和结果分析

模型验证采用2005年3月26日至27日该海域实测大潮

潮位、水流资料进行验证。

各潮位站潮位以及流速过程验证结果见图4 ̄图6。潮位基面为85基面;各潮流测点的流速过程图中表示为实测值,“■”实线代表计算结果。验证结果表明:从潮位验证的结果看,计算潮位的相位与实测潮位的相位吻合较好,相位误差一般不超过

400

300200100014:00

18:0022:00图6

2:006:0010:0014:00

测站潮流流向验证

0.25h,峰谷值误差一般不大于0.15m;流速流向率定结果表明,

流速相位一般也不超过0.25h,流速峰谷值的绝对误差不大于涨落潮最大流速值绝对值之和的20%。因此来说,计算结果能够较好地反映该海区真实的流场情况,可以为工程研究提供基本的流场背景。

4结语

本文对Delft3D软件的组成模块、理论基础(方程)作了介

绍,并对其具体应用作了实例分析。Delft3D是以FLOW水动力模块为主体,建立在Navier-Stokes方程的基础上,由一系列模块组成的模型,以采用正交曲线网格、计算稳定、精度高等特点

58

水文第27卷

在海岸带、河口、风暴潮的研究中得到了较好地应用,为我国的海岸、河口的研究提供了一种比较理想的模型。

不过,模型对网格的正交性要求相当的高,Delft3D是基于正交曲线网格的,对于岸线曲折复杂的海域来说,建立满足要求的曲线正交网格难度较大,也降低了工作效率,许多研究者多采用矩形网格进行计算,无疑是降低了岸线的拟和度。因此有待于集成一套更好的网格生成方法。参考文献:

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2007,28(1):65 ̄68.

IntroductionofNumericalSimulationSoftwareDleft3D&ItsApplicationon

OffshoreAreaofAojiangEstuarine

ZUOShuHua

(KeylaboratoryofEngineeringSedimentofMinistryofCommunications,TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineering,Tianjin

300456,China)

Abstract:TheDelft3Dsuitehasdevelopedaunique,fullyintegratedcomputersoftwaresuiteforamulti-disciplinaryapproachand3Dcomputationsforcoastal,riverandestuarineareas.Itcancarryoutsimulationsofflows,sedimenttransports,morphologicaldevelopments,waves,waterquality,andecology.Ithasbeendesignedforexpertsandnon-expertsalike.TheDelft3DsoftwareiscomposedofseveralmodulesbasingonFLOWhydrodynamicmodule,groupedaroundamutualinterface,whilebeingcapabletointeractwithoneanother.TheauthordescribesthetheoreticalphysicsmodeltoDelft3D-FLOW,whichisbasedontheNavier-StokesequationsandintroducesapplicationofDelft3DonoffshoreareaofAojiangestuarineinthispaper.Keywords:NumericalSimulation;Dleft3D;EstuarineandCoastalEngineering;Application

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(上接第5页)

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CurrentStatusandProspectofChaosTheoryResearchinHydrology

LIHong-xia,XUShi-guo,XUXiang-zhou,WANGFu-qiang

(SchoolofCivilandHydraulicEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:Theobjectiveofthispaperistopresenttheachievementsandimportantissuesintheapplicationofchaostheoryinhydrology,andtodisseminatethepotentialforfutureimprovements.Thispaperreviewedtheapplicationofchaoticidentification,prediction,parametersforphasespacereconstruction,noiseprocessinganddatasizeinhydrology.

Thispaperalsopointedoutthatchaoticapproachshouldbecomparedandcombined

withothertheoriesandtheresearchofmultivariatepredictionandreconstructionofsystemdynamicalequationsmayrevealtheevolutionandmechanismofchaotichydrology.

Keywords:hydrologictimeseries;chaosidentificationandprediction;importantissues;researchprocess

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