固定边界水流流场数值模拟技术的研究与实现

王朝阳

【摘 要】目前，对于河流数值模拟技术方法众多，本文在此基础上，引进国外先进的SMS二维数值水流模拟平台，并以金沙江陈家溪河段为研究对象，详细介绍先进的固定边界水流流场数值模拟技术。

【关键词】SMS软件平台；二维流场；数值模拟

【Abstract】At present， the techniques of numerical simulation method is numerous， in this paper， based on this， the introduction of foreign advanced SMS 2-d numerical flow simulation platform， and in jinsha river Chen jia river section as the research object， and introduced advanced fixed boundary flow field numerical simulation technology.

【Key words】SMS software platform； A two-dimensional flow field； The numerical simulation

0 前言

目前，常用的研究方法还是以原型观测与物理模型试验为主，但是，这两种方法具有一定的局限性，原型观测难以从一个整体的角度去研究水流动态，往往只能研究一个局部的水流形态，而物理模型试验比例尺就是一个非常头疼的问题，常常在长宽高、流速、流量、时间等因素采用正态比尺的情况下，试验场地的糙率，模型沙的直径、重度都不能很好的采用正态比尺去匹配。

因此只能根据经验采用相似的变态模型，导致试验结果在一定程度上失真。同时，物理模型要占用大片试验场地，耗时耗力，而模型数据则具有时效性，容错率较低，一次测量疏忽或者数据漏测，就有可能导致试验反工重复，造成不必要的经济损失。因此，目前各高校以及科研单位都在努力开发数值模拟计算软件，以期通过建立水流平面二维模型，通过数值模拟计算来得到相应的计算结果。在此背景下，本文将以先进的地表水流流场模拟软件SMS为平台，以金沙江陈家溪河段为研究对象，探讨固定边界水流流场数值模拟的步骤与过程。

1 模型建立

要建立水流平面二维模型，首先要导入电子坐标底图，然后按照自定义间距生成计算网格，并把电子坐标数值离散到各网格节点上，然后再输入包括上游流量、下游水位、糙率等控制条件，形成二维水动力计算模型，检查完相应关键指标后，由二维数值计算模型程序执行计算命令，最后生成研究区域的水流平面二维流场计算结果。

二维流场建立流程如图1所示。

（1）导入底图

导入底图是建立模型的基础，目前，底图导入以CAD格式文件为主。

（2）定义网格节点，输入数据

选择网格类型（考虑网格稳定性，一般为三角网格），定义网格节点间距，生成二维网格模型，随后将高程数据点导入，并离散到各个网格节点上。

（3）网格质量检查

在模型质量检查中检查网格质量，按照质量好坏，其网格颜色依次为黑色、绿色、蓝色、紫色、红色，颜色越鲜艳表示网格质量越差，需要手动调整网格节点。

（4）模型控制条件输入

模型控制条件包括模型边界条件（如上下游水位、流量等等），以及模型参数（包括紊动能系数、动力传递系数、糙率等等）。

（5）模型计算运行

点击模型计算命令，由软件平台自动完成计算。

2 计算结果显示与输出

根据计算结果，可以显示流场、水位、水深等所需要的水利因子，本节以金沙江陈家溪河段为研究对象，以一年一遇设计流量为计算工况，将计算结果显示列出（图2）：

（a）流场分布

（b）水位分布

3 计算结果验证

选择研究河段4个断面，将实测值与计算值对比情况列于表1。

从表1计算精度实测验证结果来看，本文建立模型误差率较小，能很好的满足精度要求。

4 结论

随着各高校、科研单位对水流研究的重视，对于水流数值模拟技术应用的发展也逐渐提高，本文引进先进的SMS计算软件，详细的分析了固定边界水流流场模拟技术，从模拟结果来看，本文建立模型误差率较小，基本都控制在5%以内，能很好的满足精度要求。

【参考文献】

[1]谢龙.三峡变动回水区末端段复合水动力条件分析及对泥沙输移的影响[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[2]陈建，李义天，邓金运.汛限水位优化调度对三峡水库泥沙淤积的影响[J].水力发电学报，2012，31（1）：183-188.

[责任编辑：汤静]