（水力学及河流动力学专业论文）河流水沙数值模拟可视化研究应用.pdf

摘要 摘要 本文在综合分析比较已有水沙成果可视化软件的基础上，开发了河 流水沙数值模拟可视化软件来实现流场、含沙量场数值计算模拟的可视 化。对于水信息学、水利工程评估、河道治理学科的发展等都有重要的 意义。本文选用宁波解放南路奉化江大桥河段为算例，建立平面二维水 沙数学模型，根据实测资料对数学模型进行了验证，对建桥前后的桥位 河段进行了水流泥沙数值计算，计算得出水位、流场、泥沙场等分布结 果。然后利用v i s u a lc + + 进行图像可视化编程，将水流泥沙数值模拟 的结果动态显示出来，包括网格、地形、流线、流速、泥沙浓度等以图 像和动画的形式显示，并能实现了多级放大、缩小功能；同时还可以使 用多种文件形式输出流场、含沙量场的动态演示结果，成功地实现流场、 含沙量场数值模拟和显示的一体化。该系统界面友好，具有较高的执行 效率与稳定性，可移植性良好，精度高，系统完全能够满足水流泥沙数 学模型计算结果二维可视化的需要。 关键词：可视化系统数值模拟计算成果后处理动态演示v i s u a l c + + a b s t r a c t 1 1 l i s a r t i c l eh a dd e v e l o p e ds o f t w a r eo fv i s u a l i z a t i o no fw a t e r & s e d i m e n t s m a t h e m a t i c a lm o d e li ns c i e n t i f i cc o m p u t i n gt oc a r r yo u tt h ev i s u a l i z a t i o ni nf l o wa n d s e d i m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt h eb a s eo fg e r a l i z c da n a l y s i sc o m p a r i s o n e x i s t i n gv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r eo fw a t e r & s e d i m e n t sm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t s r sv e r yi m p o r t a n tt ow a t e ri n f o r m a t i c s ，t h ed e v e l o p m e n to fe v a l u a t i o no f w a t e rc o n s e a | 1 c ya n dr u n w a yg o v e r n ss c i e n c e t k sp a p e ru s e sf e n g h u ar i v e rb r i d g e r e a c ho fj i e f a n gs o u t hr o a di nn i n g b oa sc a l c u l a t i n ge x a m p l e ，s e tu pw a t e r & s e d i m e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp l a n et w o - d i m e n s i o n i th a dv e r i f i e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e la c c o r d i n gt oa c t u a lm a t e r i a l ，c a r r y i n go u tan u m e r i c a ls i m u l a t i o n c a l c u l a t i o no f w a t e ra n ds e d i m e n ti nt h em o u n tl o w e rr e a c h e s ，c a l c u l a t i n gd i s t r i b u t i o n o fw a t o rl e v e l ，f l o wa n ds e d i m e n t t h e n ，c a r r i e so nt h ep i c t u r ev i s i b l ep r o g r a m m i n g u s i n gv i s u a lc + + ，d e m o n s t r a t e st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sd y n a m i c ，i n c l u d i n g 鲥d ，m e s h ，s t r e a m l i n e ，v e c t o r , t h i c k n e s so fs e d i m e n ta n ds oo n , o u t p u tt h e m 谢m p i c t u r ea n dc a r t o o n a n dt h es o f t w a r ec a nz o o mi n ( o u t ) b ym a n yt i m e s i ti sa b l et o e x p o r td y n a m i cd e m o n s t r a t i o nb ym a n yk i n d sf i l e sa tt h es a l n et i m e ，w h i c hi ss u c c e e d i na c h i e v i n gg e n e r a l i z a t i o no f f l o wa n ds e d i m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n di t sp l a y s n 忙p r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h ed e m o n s t r a t i o no fa n i m a t i o ns h o wt h a tt h ep r e v i o u s l y m e n t i o n e ds y s t e mh a v eaf r i e n d l yi n t e r f a c e , ah i g h e re x e c u t i v ee f f i c i e n c y , g o o d s t a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y , h i g hp r e c i s i o n i naw o r d ，t h i ss y s t e mc a nc o m p l e t e l ym e e t t h ed e m a n d so ft w o d i m e n s i o u a lv i s u a l i z a t i o nf o rs e d i m e n tm a t h e m a t i c a lm o d a l c a l c u l a t j o nr e s u l t s k e y w o r d s ：v i s u a l i z a t i o ns y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s , t h ep o s tt r e a t m e n to f c a l c u l a t i o n ，d y n a m i cd e m o n s t r a t i o n ，v i s u a lc + + 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：兰堕 ! 。7 年6 月一e 日 论文作者( 签名) ：兰塑! 年6 月i e 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电予文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 、，= - 论文作者( 签名) ：兰璺d 年5 月f s 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外水沙数值模拟研究回顾 早在2 0 世纪5 0 年代，苏联、美国、西欧和我国就开展了河流泥沙数学模型 的研究和应用，主要是用来计算大型水库的淤积和坝下游的沿程冲刷。由于受到 当时计算工具的限制，这种计算仅限于一些简单的状况，而且精度较差，工作量 大，因此，未能得到普遍推广。7 0 年代以来，随着电子计算机的普及与计算机 性能的不断提高，这些困难已逐步克服，数学模型的优越性越来越突出。数学模 型投资少、运行周期短和效率高，具有通用性，重复模拟时具有理想的抗干扰性， 可严格控制并可方便修改边界条件及其他条件，同时具有模拟真实条件和模拟理 想条件的能力，因而日益成为研究水流、泥沙等运动规律的一个强有力的手段， 普遍受到人们的重视。 河流泥沙数值模拟主要经历了3 个发展阶段f 1 - 2 l ：1 、数值计算阶段。本阶段 的特点是利用电子计算机对水力学公式或方程直接求解，解决了工程技术人员用 简单计算工具难以完成的工作。由于操作简单、方法实用，受到了工程技术人员 的欢迎，但它的计算能力有很大的局限性。2 、数值模拟低级阶段，即单因素模 拟阶段。其特点为采用离散方法将整个计算水域划分为若干单元，然后利用各种 数值分析方法( 如有限差分法、有限元法、边界元法) 在单元节点上求解描述水流 现象的微分方程。在该阶段中，主要研究微分方程的离散方法和求解方法，数值 格式的相容性、稳定性和收敛性等问题。3 、数值模拟高级阶段，即多因素过程 模拟阶段。本阶段以实用化、系统化为标志，使多动力因素影响下的复杂水力现 象实现过程模拟，并进一步引入人工智能和专家系统，达到数值模拟的自动化。 经过近二、三十年的发展，水沙数学模型经历了由一维一二维一一、二维嵌 套一三维一二、三维嵌套【3 i ，也由原先在概化水文、泥沙及河床条件下数学模型 的建立、率定和验证，发展到与物理模型相互配合共同回答工程水流和泥沙问题 ( 复合模型) 的发展阶段。现在已经有相当一部分工作，如库区长河道、长系列河 床演变计算及河口海岸大范围的水沙问题，可由数学模型独立解决，并有不可替 代的优势，并且其应用范围正在进一步拓展，回答问题的深度也在进一步加深。 下面简要回顾一下一维、二维及三维水沙数学模型的研究现状。 1 河海大学硕士学位论文 1 一维水流泥沙数学模型 一维水流泥沙数学模型模拟的是变量在断面上的平均值，基本上能够满足实 际工程的需要，它是至今使用最广泛的一种模型。一维模型在理论及实践上都比 较成熟，模型计算省时，可快速方便地进行长河段、长时间的洪水和河床演变预 报，因而国内外使用较为普遍。如李毓湘等川利用一维非恒定流基本方程组、河 网节点连结方程及边点方程建立了珠江三角洲河网区水动力模型。但是，一维数 学模型无法给出各物理量在断面上的分布，因而在模拟河床细部变形、河口和港 湾等水域的流动和冲淤问题时，必须用平面二维甚至三维数学模型才能解决。1 5 1 2 二维水流泥沙数学模型 二维数学模型克服了一维数学模型不能计算水流泥沙等物理量沿河宽( 或水 深) 方向变化的缺点，因而发展较快，目前在工程中得到了较为广泛的应用，正 逐步走向成熟。h a n s o nw 1 6 1 最早用二维数学模型研究了河口、海岸潮流泥沙运 动。1 9 6 7 年美国l e e d e r t s e 首次应用交替方向隐式差分格式模拟二维潮汐潮流， 并很快得到推广。后来苏联y a n e n k o 等人提出了分裂法，将控制方程组按空间坐 标分裂或按物理机制分裂。目前用于水流泥沙数学模型的方法主要有有限差分法 1 7 1 、特征线法、有限元法、有限分析法、边界元法以及有限体积法等。 二维数学模型分平面二维数学模型和垂向二维数学模型两种。对于海岸、河 口、湖泊、大型水库、内河等水域，水平尺度远大于垂向尺度，水力参数在垂直 方向的变化，可用沿水深的平均量表示，因而可采用平面二维数学模型模拟。而 在窄深潮汐通道、窄深河口地区，有关变量的垂向变化不可忽视，这时往往要采 用垂向二维数学模型障1 。 二维数学模型的计算相对比较复杂，一般都采用非耦合解的算法，即水流方 程和泥沙方程分别单独求解。先求水流运动要素，再求泥沙要素及河床变形，然 后交替进行求解。此法适合于含沙量小、河床变形缓慢的河道。对于像黄河这样 含沙量高、河床变形剧烈的游荡型河段，最好采用水沙耦合解，但计算将变得十 分复杂。 平面二维水流泥沙数学模型在生产上得到了广泛的应用，能够较好地模拟水 流结构和泥沙运动在平面上的分布规律，常常与物理模型耦合运用，相互印证， 2 第一章绪论 相互提供边界，取得了较好的经济效益，促进了泥沙数学模型的深入研究。河海 大学、南京水利科学研究院等单位用拟合坐标生成了j 下交曲线网格，运用“露滩 冻结”技术解决动边界问题，考虑了床沙级配的分层记忆和床沙质和冲泻质的划 分，通过分组解决非均匀沙的挟沙能力表达式，建立了全沙数学模型，较好地模 拟了内河恒定流和潮汐河口非恒定流输沙过程以及河床的冲淤变化。赖锡军等采 用四点加权隐式计算一维潮流，利用有限体积法求解二维潮流，建立一、二维耦 合的潮流数值模型，实现了由一维计算区域向二维区域的准确过渡，并用上海市 淀海南片河网对该模型进行了验证。此外，国外也已开发了许多平面二维水沙数 学模型，如德国k a r l s r u h e 大学的f a s t 2 d 模型、荷兰d e l f t 的d e l f t - 3 d 模型、 t r i m 2 d 模型、i o w a 水利所的m o b e d 2 模型、美国m i s s i p s i p p i 大学水科学计算 中心c c h e 2 d 模型、丹麦水力研究所的m i k e 2 1 模型等。 3 三维水流泥沙数学模型 实际工程中的水流泥沙运动都具有三维性，尤其是泥沙沿垂线的不均匀分 布，只有建立三维水沙数学模型才能满足要求。在宽阔且较深的海岸河口地区， 研究潮流运动、海岸演变及泥沙运动时，通常的二维数值模拟也不能满足要求。 此外，像疏浚抛泥、油膜运动、水质污染扩散等一些专门课题，也需要采用三维 数值模拟技术。 三维水沙数值模拟显然要比二维复杂得多，国外自2 0 世纪7 0 年代中期开始 了三维数值模拟的研究。国内虽起步较晚，从2 0 世纪8 0 年代中期才开展研究， 但进展较快，已成功应用于一些重要的水利工程。例如，刘子龙、王船海等利用 破开算子法对长江口三维潮流过程进行了有效的模拟1 9 】；马启南、陈永平利用一 个基于变换和内外模式分裂技术，建立了杭州湾的三维潮流数值模型b o l ；窦希 萍、李堤来在正交曲线坐标系下，采用坐标变换、有限差分、交替隐式求解动 边界处理等方法，建立了边界拟合网格的三维潮流数学模型【l l j ；华祖林采用拟 合曲线网格系统模拟天然河道边界，在此基础上建立了弯道河段潮流三维数值模 型，并针对弯曲河段可能引起的回流及环流，引入紊流模型进行精细模拟1 ”1 。 美国水道实验站提出的一维、二维和三维数学模型混合计算的河口模型，在河口 外及主航道用三维，在航道两侧边滩用平面二维，在河口内用垂向二维，在河道 河海大学硕士学位论文 内采用一维模型。 但是，三维数学模型的发展至今仍然缓慢，尤其是三维泥沙模型更是滞后于 三维水流模型的发展，主要原因有：1 ) 对泥沙运动基本规律的认识仍不成熟，有 许多问题有待进一步研究；2 ) z 维水沙数学模型的结构复杂，节点多，计算工作 量大，不易开展研究和应用。经验表明：局部小范围应用尚可，在大水体计算中 应用，将大大增加复杂性和计算工作量：3 ) 一、二维数学模型的研究相对比较成 熟，在工程实际中得到了较好的应用，基本能够解决在工程实际中遇到的大多数 问题。 1 2 科学计算可视化概述和意义 科学计算可视化呻( 英文是v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，简称v i s c ) 是计算机图形学的一个重要研究方向，是图形科学的新领域。 v i s u a l i z a t i o n ，一 词，来自英文的”v i s u a l ”，原意是视觉的、形象的，中文译成“图示化”可能更 为贴切。事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视 化。与计算机有关的如：可视化界面( w i n d o w s ) ，可视化编程( v i s u a lc + 十) 等。但 作为学科术语，“可视化”一词正式出现于1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会 ( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ，简称n s f ) 召开的一个专题研讨会上。研讨会后发 表的正式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期研究的 方向。这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。 科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和 方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像，以直观的形式 表示出来。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图 形用户界面等多个研究领域，己成为当前计算机图形学研究的重要方向 1 4 1 。 研究表明，人类获得的关于外在世界的信息8 0 以上是通过视觉通道获得 的。经过漫长的进化，人类视觉信息处理具有高速、大容量、并行工作的特点。 常言所说“百闻不如一见”，就是这个意思。这些特点早已为祖先们所认识和应 用。 古长城上的烽火台，显示了先民的智慧，可以将重要的信息迅速大范围传递。 作为千百年来文明载体的“图书”，“图”是在“书”前的。“河图洛书”的传说， 4 第一章绪论 显示出“图”在我们文明的发端及以后的发展中所起的作用。今天，设计图是借 助纸张的媒介表达创意，工程图是现代工业生产的依据。可视化依然继续着借助 形象化方法表达人类意图的传统。我们将看到，可视化技术产生的图是一种全新 的形式。 可视化技术的出现有着深刻的历史背景，这就是社会的巨大需求和技术水平 的进步。可视化技术由来已久，早在2 0 世纪初期，人们已经将图表和统计等原 始的可视化技术应用于科学数据分析当中。随着人类社会的飞速发展，人们在科 学研究和生产实践中，越来越多地获得大量科学数据。计算机的诞生和普及应用， 使得人类社会进入了一个信息时代，它给人类社会提供了全新的科学计算和数据 获取手段，使人类社会进入了一个“数据的海洋”，而人们进行科学研究的目的 不仅仅是为了获取数据，而是要通过分析数据去探索自然规律。传统的纸、笔可 视化技术与数据分析手段的低效性，已严重制约着科学技术的进步。随着计算机 软、硬件性能的不断提高和计算机图形学的蓬勃发展，促使人们将这一新技术应 用于科学数据的可视化中。 借助航天航空、遥感、加速器、c t ( 计算机断层扫描) 、m r i ( 核磁共振) 、 计算机模拟( 如核爆炸) 等手段，人类获取数据的能力飞速提高，每天产生的数 据已经不是大量，而是称为海量。一项统计表明，人类每天需要处理的数据量在 8 0 年代一般是在百万字节数量级，9 0 年代已经增加1 0 0 0 倍以上，而且增加的趋 势还在加强。面对堆积如山的数据，及时解读，获取有用的信息成为人类面临的 巨大挑战。传统的数字或字符形式的处理显然无法满足需要。可视化技术，在这 个意义上就成为了“科学技术之眼”它是科学发现和工程设计的工具。 以上我们更多地谈到的是数据( d a t a ) ，是数据的可视化( d a t a v i s u a l i z a t i o n ) 。习惯上，人们将许多种类的数据也广义地称为信息，或者知识。 对此，学者们有许多争论和不同的定义0 5 1 。一般认为，数据( d a t a ) 、信息 ( i n f o r m a t i o n ) 和知识( k n o w l e d g e ) 还是有区别的。为明确起见，下面的介绍限定 于狭义的数据的可视化，即将抽象的数字或者字符表示转换成图形图像的技术。 此外，计算、模拟或者遥感等得到的数据总是在一定的时间或空间范围内获得的。 与在其他学科中类似，数据在一定空间内的分布，也称为数据场( d a t af i e l d ) ， 比如二维数据场，三维数据场，或者更高维数的数据场。本文主要介绍数据场可 5 河海大学硕士学位论文 视化，特别是与二维数据场有关的可视化技术。应当注意的是，数据场的分布在 大多数情况下是离散的。这是因为数据场的分布规律暂时是未知的，可视化的任 务正是协助人们找出这些规律：或者由于客观情况的限制，我们只能在有限的离 散的点上获得有限精度和数量的数据。另一方面，由于现代通用的计算机是数字 计算机，即使是存在连续的模型也需要将其离散化为数字才能够由计算机处理。 因此，科学计算可视化的研究限定为将离散的数字化的数据转变为图形图像的表 示，由此决定了它的一系列技术特征。 早期，由于计算机软、硬件技术水平的限制，科学计算只能以批处理方式进 行，而不能进行交互处理，对于大量的输出数据，只能用人工方式处理，或者用 绘图仪输出二维图形。这种处理方式不仅效率低下，而且丢失了大量信息。而近 年来，随着计算机应用的普及和科学技术的迅速发展，来自超级计算机、卫星遥 感、c t 、天气预报以及地震勘测等领域的数据量越来越大，但由于没有有效的 处理和观察理解手段，科学家们和工程师们惊呼“我们可以做的仅仅是将数据收 集和存放起来”。再者，随着科学的发展，对传统的实验设备和实验精度的要求 也越来越高，这直接导致了传统实验方法的实验费用的持续增长。另一方面，由 于计算机技术的高速发展，使得计算成本不断下降，计算精度和速度不断提高。 这使得对复杂问题的数值模拟成为一种更直接、更有效的方法。而大规模数值模 拟可产生上百兆、上千兆的大量数据，我们已无法用传统的方法来理解大量科学 数据中包含的复杂现象和规律。因此，科学计算可视化技术已经成为科学研究中 必不可少的手段。它是科学工作者以及工程技术人员洞察数据内含信息，确定内 在关系与规律的有效方法，使科学家和工程师以直观形象的方式揭示理解抽象科 学数据中包含的客观规律，从而摆脱直接面对大量无法理解的抽象数据的被动局 面。实现科学计算可视化技术的意义重大，具体来讲有以下几点： ( 1 ) 大大加快数据的处理速度，使目前每同每时都在产生的庞大数据得到 有效的利用。 ( 2 ) 实现人与人、人与机之问的图像通讯，而不是目前的文字或数字通讯， 从而使人们观察到传统方法难以观察到的现象和规律。 ( 3 ) 使科学家不仅被动地得到计算结果，而且知道在计算过程中发生了什么 现象，并可改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。 6 第一章绪论 ( 4 ) 可提供在计算机辅助下的可视化技术手段，从而为在网络分布环境下 的计算机辅助协同设计打下了基础。 总之，科学计算可视化技术的发展将使科学研究工具和环境进一步现代化， 从而使科学研究的面貌发生根本性的变化，具有极为重要的意义i ”l 。 1 3 河流数值模拟可视化研究的发展概况 数值模拟是研究水流泥沙运动重要的手段之一，并且随着计算机技术的迅猛 发展而显得越来越重要，但是如何将数学模型计算的结果清晰明了的显示出来， 一直是数学模型不能更快更广泛推广的主要因素。 可视化技术由1 9 8 6 年提出到现在已经有将近二十年的时间，软件工作者和 工程技术人员针对不同研究领域的不同用途开发了许多可视化软件，解决某些数 据的可视化问题。可视化软件平台实现了可视化理论与应用的沟通，为科学计算 可视化的具体应用提供了有力的支持。在河流数值模拟可视化应用系统中，国外 在上世纪9 0 年代初已陆续推出了一些较为成功的可视化软件系统。如美国 t e c p l o t 公司的t e c p l o t ，美国b r i g h a my o u n gu n i v e r s i t y 的s m s ，荷兰d e l f t h y d r a u l i c si n s t i t u t e 研制的d e l f t 3 d 等。一般来说，这些水动力学软件系统 价格比较昂贵，软件扩充相对比较困难。国内可视化软件的开发工作起步较晚， 不过也取得了一些可喜的成绩，比如河海大学交通学院赵有皓等人研制的“泥沙 数学模型成果可视化实用系统”即用v i s u a lc + + 开发”1 ；如天津大学的曾谦应 用多媒体技术和v i s u a lc + + 开发的“二维流场多媒体动态演示系统”1 1 | 】。为了 更好地了解目前河流数值模拟计算领域可视化软件包的发展情况，下面详细介绍 一些在该领域国内外应用比较广泛的商业软件，并对其在数值计算以及可视化处 理方面的特点进行简要说明。 t e c p l o t 是由t e c p l o t 公司( 原a m t e ce n g i n e e r i n g 公司) 推出的一个功能强 大的科学绘图软件。它提供了丰富的绘图格式，包括x y 曲线图，多种格式的 2 d 和3 d 面绘图，_ 和3 d 体绘图格式。t e c p l o t 是绘图和数据分析的通用软件，对 于进行数值模拟、数据分析和测试是理想的工具。作为功能强大的数据显示工具， t e c p l o t 通过绘制x - y ，2 d 和3 d 数据图以显示工程和科学数据。 ( 1 ) 可直接读入常见的网格、c a d 图形及c f d 软件( p h o e n i c s 、f l u e n t 、 7 河海大学硕士学位论文 s t a r c d ) 生成的文件。 ( 2 )能直接导入c g n s 、d x f 、e x c e l 、g r i d g e n 、p l o t 3 d 格式的文件。 ( 3 ) 能导出的文件格式包括了b m p 、a v i 、f l a s h 、j p e g 、w i n d o w s 等常用 格式。 ( 4 ) 能直接将结果在互联网上发布，利用f t p 或h t t p 对文件进行修改、 编辑等操作。也可以直接打印图形，并在m i c r o s o f to f f i c e 上复制 和粘贴。 ( 5 ) a d k 功能使用户可以利用f o r t r a n 、c 、c + + 等语言开发特殊功能。 该软件易学易用，界面友好。而且针对于f l u e n t 软件有专门的数据接口， 可以直接读入木c a s 和木d a t 文件，也可以在f l u e n t 软件中选择输出的面和变量， 然后直接输出t e c p l o t 格式文档。现在t e c p l o t 软件的最新版本为1 0 0 版。 1 9 1 图卜1t e c p l o t 插值后的地形图像 s m s 是由美国b r i g h a my o u n gu n i v e r s i t y 的环保模拟研究实验室 ( e n v i r o n m e n t a lm o d e l i n gr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 联合美国陆军工程水道试验站 ( u s a r m yc o r p so fe n g i n e e r sw a t e r w a y se x p e r i m e n ts t a t i o n ) ，和美国联 邦高速公路( u sf e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 开发。s m s 是s u r f a c ew a t e r 8 第一章绪论 m o d e l i n gs y s t e m 的缩写，它在计算自由表面流动方面具有强大的功能。数值模 拟主要应用包括一维、二维和三维浅水流动问题的水流场和流速场的演算。另外 的应用包括污染物输移、盐水入侵、泥沙输送、波浪传播、波浪性质( 方向、级 别和振幅) 等，国内在杭州湾潮流模拟等项目中应用过该系统。 该软件包包括t a b s m d ( g f g e n ，r m a 2 ，r m a 4 ，s e d 2 d w e s ) ，a i ) c i r c ，c g w a v e ， s t w a v e ，m 2 d ，h i v e l 2 d ，和h e c - r a s 等计算模块，用户可以根据实际情况选择不 同的水流计算程序。特别的是，它还可以使用用户自己开发的计算模块。 其中，r 姒2 模块主要负责二维浅水流动模拟，主要的数值方法为有限元法。 它具有强大的前、后处理功能。在前处理方面，能自动生成无结构计算网格，分 析网格的质量，并可直接进行单元格质量的调整；而在后处理方面具有强大的分 析功能，如流场动态演示及动画制作、计算断面流量、实测与计算过程的验证、 不同方案的比较等。 图1 - 2s m s 后处理的流场图像 泥沙数学模型成果可视化实用系统是由河海大学交通海洋学院赵有皓等人 开发的用于二维泥沙数值模拟成果可视化的动态显示系统。该系统是由v i s u a l c + + 开发，可以进行流场和浓度场的计算，并且可以设置多项计算参数。它既能 9 河海大学硕士学位论文 将离散数据以动画的方式，形象化、一目了然地展示出来；同时，又能及时发现 计算中存在的问题，便于及时调整。应用该系统对于工程泥沙研究成果的具体应 用带来了极大的便利，使工程决策部门能够更快更有效的做出相关决策。 图卜3 泥沙数学模型成果可视化实用系统的后处理泥沙场图像 1 4本文研究内容和研究方法 基于可视化的现状与发展态势，本文着力于实现平面二维河流水沙数值模拟 成果的可视化，同时开发包括前、后处理的交互式可视化系统，为后续的水流泥 沙实时计算模拟分析系统提供开发平台。 数值模拟可视化的前处理工作，包括二维数学模型的模型建立、验证及应用。 通过嵌套的方式结合二维数学模型的优点，应用数值模拟解法，建立了一个完整 的平面二维水流泥沙数学模型。应用实测数据资料，验证建立的数学模型是否正 确，能否达到实际工程需要的精度和效率。根据验证通过的数学模型计算，计算 工程前后流场、水位场、泥沙场的数据，为成果可视化提供各种数据。数值模拟 可视化的后处理技术主要是对数学模型计算结果的显示，通过对标量场和矢量场 的显示方式研究，采用等值线、等值面和欧拉流场、拉格朗日流场的方式来分别 显示水位、流速和泥沙浓度的数据。本文研究的可视化系统主要通过图形界面和 1 0 第一章绪论 计算程序两部分实现：v c + + 程序负责开发与用户交互的图形界面和f o r t r a n 程序 负责系统的计算。通过混合编程技术将两者联接起来。 水沙数值模拟可视化系统以图像和动画的形式显示计算结果，同时还提供数 值模拟科学计算接口，成功地实现了河流水沙数值模拟和显示的一体化。 论文主要由六大部分内容组成，主要研究内容及章节安排如下： 第一章绪论。简要说明本文问题的提出及研究背景，对河流数值模拟可视 化的研究意义进行简要论述，提出本文的研究目的与研究内容。 第二章数学模型的建立。以宁波市解放南路奉化江大桥工程为例，应用有 限体积法，建立完整的平面二维水流泥沙数学模型，包括：基本方程、边界条件、 数值求解及有关问题的处理。 第三章数学模型的验证及应用。通过实测数据，验证数学模型的正确性及 是否满足精度要求。然后应用验证的数学模型，根据各种计算条件的组合，计算 宁波市解放南路奉化江大桥段工程前各种工况下水位、流速和泥沙浓度。 第四章可视化系统编程技术研究。科学计算可视化编程技术主要包括图像 编程基础，地形数据的图像显示，流场数模结果的可视化开发和泥沙场数模结果 的可视化开发。 第五章可视化系统的初步实现。对水沙数值模拟可视化系统的初步实现进 行了全方位的介绍。包括对系统框架、系统各功能的实现，地形、流速、含沙量 场的结果显示都详细的介绍说明。 第六章结论与展望。对本文的研究工作和成果进行小结，并就进一步的工 作提出自己的意见和建议。 河海大学硕士学位论文 第二章平面二维数学模型的建立 水流泥沙数学模型既是水工建筑工程规划设计的重要手段，也是理论研究以 及分析有关物理参数确定是否合理的有效工具。它与实体物理模型相辅相成，相 得益彰，能迅速、经济地为解决实际工程问题提供可靠的设计依据。计算机硬、 软件水平的飞速发展，给水沙数值模拟的实现提供良好的平台，同时也需要有更 高质量、效率的水沙数学模型与之适应陋l 。 2 1二维水沙数学模型控制方程 2 3 - 2 4 i 一维模型虽然有很多优点，但是它无法给出各物理量在平面范围的分布，因 而在模拟水利工程等水域的平面流动问题时，就需要采用平面二维水沙模型。二 维数学模型的计算较为复杂，一股都采用非耦合解的算法1 2 5 1 ，即水流方程和泥 沙方程分别单独求解，先求水力要素，再求河床变形，交替进行。 2 1 1 二维水流数学模型的基本方程 ( 1 ) 正交曲线网格生成 平面直角坐标系下的任意形状的区域，通过边界拟合坐标，可转化为新坐标 系下的规则区域。新旧坐标采用：手= 手b ，y ) ，玎= 叩g ，j ，) 函数关系联系起来。 正交曲线坐标系下的转换方程为： c _ x 彰q - c f x _ 口4 - ，2 ( x f p + x _ q ) = o ( 2 1 ) c _ y 群+ c f y 口口+ ，2 ( y f p + y _ = o ( 2 2 ) 式中，c f 、c ，为正交曲线坐标系下的拉梅系数，c f = 工；+ y ；， 印厢一厢小音警咖击等一厩。 方程中的p 、q 为网格调节因子，可自动调节网格疏密，但实际问题的区域 边界一般比较复杂，网格的密度也不仅反映河床平面变化，而且要满足工程平面 布置和尺度优化要求，自动调节十分困难。在实际计算中，通常先布置初始网格， 并做到边界纵向网格贴岸布置，横向网格与两岸基本垂直，并根据河床变化复杂 第二章平面二维数学模型的建立 程度和研究区域重要性适当加密纵、横向网格线，通过求解方程组( 2 1 ) ( 2 2 ) 实现网格系统的正交化2 8 1 。 、 d 2 ，l 图2 - 1 调整后的正交曲线网格图 上述方程组是一组椭圆型非线性方程组，可采用有限差分法离散和t d m a 技 术求解。 ( 2 ) 水流运动基本方程”1 弯曲河段水流模拟中应考虑弯道环流所引起的横向动量交换，正交曲线坐标 系下弯曲河道水深乎均的平面二维k 一紊流模型控制方程为： 连续方程： 晏+ 上f 掣+ 掣 ：o ( 2 。) a c f c ，i学 勿 i 动量方程： 掣+ 壶隆( c ，协“) + 南畋胁) + 协v 等一胁2 割 g u , , u 2 + v 2g h 葫 c 2 c f 劈 + 壶隆( c 。肪符) + 茜虹肪硝) + h o 4 q - 双- 万一册。割( z a ) 1 3 河海大学硕士学位论文 掣+ j c ；c l l 旦0 4 b 协v ) + 南虹m v ) + 胁每一胁2 等 斟而g h 飘 c 2 c 。勿 + 去降( c 。) + 茜乜弛，) + 鲁一筹 ( 2 s ， 式中“、v 为善、叩方向流速分量，h 为水位，h 为水深，g 为重力加速度，盯嚣、 盯，、盯勃、为应力项， m 。、m ，为动量横向交换项。 耻南睁喉m 妒等砌妒割 帆= 巧易 南 妒；，+ “妒鲁一2 南c v 喉) 铲z h 窿靠针功，高+ 老爿 = 盯孵- v ， 毒丢 毒 + 毒茜( 考 其中，妒2 1 等，易为等r i 线的曲率半径，k m 为反映横向动量交换系 数，一般情况下，k t s = 0 4 7 ，v t 为紊动粘性系数，即 v t = c 。k 2 s ( 2 6 ) 式中k 及占分别为紊动动能及紊动耗散率，由k 及s 的输运方程确定。 k 输运方程： 丁0 3 k + 虿c ，i 。- 髫si 、c ，粼) + 茜虹觥) = 去降( 等毒篝 + 岳( 鲁苦筹 + 日佤+ 气一s ， c z z ， 1 4 第二章平面二维数学模型的建立 警+ 壶 丢b 胁s ) + 南也协s ) = 壶l 善( 等岳毒 + 南毒耕日( c 一。言& 屯丢+ 匕) 泣8 ， 式中c 。= 0 0 9 ，吒= 1 0 ，盯。= 1 3 ，c l 。= 1 4 4 ，e = 0 0 9 ，只为紊动动能产 生项，即 最= 吆瞎+ 者针o ru f 上 + 毒引毒刘 + o r 上堡+ 甜喝1 n - n ，l f 丐面+ b - c 虿1j k c 一，= 鲁c 。c 2 专q = 矛n 2 9 c e 乩厄| c ： ( 3 ) 边界条件 开边界采用强迫边界条件，进出口水边界采用实测潮位过程，z = z ( t ) 。数学 模型进口给定k 、f 沿河宽的分布，进口紊动动能耗散率按下式给定，即 s ：c i l ； ( 2 9 ) h 式中，缸，为进口断面节点纵向流速，c ，= 挖2 9 i l t 垆。进口紊动粘性系数采 用l a u f e r 紊动粘性系数测量结果，即 也= o 0 7 6 5 u 。h ( 2 i o ) 由式( 2 9 ) 及( 2 1 0 ) 可推知进i z l 断面紊动动能分布，即 量= 0 2 7 6 c 弘甜；c ( 2 1 1 ) 由于进口常取在顺直段，对于充分发展的紊流，进口k 、占的设定不影响域 内的分布。 出流边界设置水位，同时使 f 塑：堡：堡一a h 0 ( 2 1 2 ) 1 5 塑查垄芏丝圭芏堡笙查 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ h _ _ _ - _ 一一 陆地边界的固壁边界采用法向通量为零的条件，即 2 1 2 二维泥沙数学模型的基本方程i ”。5 ( 1 ) 悬移质不平衡输移方程： 假定非均匀沙第i 组泥沙同样遵循均匀沙的扩散规律，则第i 组泥沙的扩散 方程为： 丛掣+ 壶 善 。嬲，) + 南乜郴f ) = 善( 毒毒c 鲁 + 茜 毒毒c 鲁 卜q 哆留强) c z t a ，劈l 吒f 劈j 却l 吒。纫j j “ 式中口为悬沙中第i 组泥沙恢复饱和系数，t o , 为第i 组泥沙的沉速，墨及s 为 分组粒径的含沙量及挟沙力，乞及岛为坐标系f 及叩方向的泥沙扩散系数，假定 s | = q 2 0 t 。 ( 2 ) 河床变形方程： 河床变形受悬移质和推移质共同作用。据沙量守恒可得如下河床变形方程： 以t 誓+ 告警+ 告警：杰吣( s 一墨) ( 2 1 5 ) “a c 18 c n8 q鲁 ”。 式中，乙为河床高程，以为泥沙淤积物干容重。 ( 3 ) 辅助方程 一、非均匀沙不平衡输沙水流挟沙力 由于天然河流水流的非均匀性及床沙组成沿程的不一致性，一般存在着单向 淤积、单向冲刷和淤粗冲细三种不平衡输沙状态。这三种状态恢复饱和的泥沙来 源不同，挟沙力也不同。 ( 1 ) 单向淤积 当来沙处于过于饱和而床沙较粗的条件下，床沙和悬沙就总体来说不发生交 换，只有悬沙发生单向淤积，挟沙力级配是由来沙决定的，与床沙无关。 1 6 哟q 却 却 鱼研 矿 | i 舻 堡却 第二章平面二维数学模型的建立 判别条件 i s ( 1 一s w s w ) 瓯 p s s ： s ： 式中： 墨一床沙质含沙量，墨= p s ，s = 只s ，只为悬沙级配； & 一冲泻质含沙量，& = s 瓯一全沙含沙量，s o = 瓯+ 墨； 月 e 一床沙可悬百分数，只= 只，只，为床沙级配； 旷冲泻质蝴凯s w * = k ( 篙卜州州尸2 ， 铲床沙质挟沙舭啦k 嚆r ”，薹。w ，。弘 s - 掀沙航班k ( 丢卜咖，蠢w ； 月 巴一掀沙级配，只= ( e ，q ”) ( 兄q ”) ，；女+ i 挟沙力 s = s 。+ q s 。| s ：、s ： s ：= s 。 只 p + ( 1 一专埘 只 只 ( 2 ) 单向冲刷 当来沙处于次饱和而床沙较粗的条件下，由于挟沙力有富余，较细的悬沙难 以下沉，似冲泻质，挟沙力亏缺部分由床沙补偿，此时为单纯冲刷。 判别条件 1 7 p 。 ， m qp 。 i l 河海大学硕士学位论文 l 墨 ( 1 一瓯s w + ) 最+ 【p , s e s ： 挟沙力 s = & + ( 卜s w s w + ) 最+ s = s w p 只 + ( 1 - 专心+ ， 式甲：& 为采沙级配所构成的挟沙力，即 耻k ( 剐 肾陋“ l m ( 4 ) 推移质输沙率公式 现有的推移质输沙率公式较多，但由于天然实测资料精度较差，目前对推移 1 8 第二章平面二维数学模型的建立 = & ( g l c 0 2 ) 旦( 矿一v o ) v 3 i g c o b , 。 7 。一y 式中：v o 为启动流速，其表达式为： v o = 0 2 6 5 i n ( t 芸) 睁鲥 为推移质平均粒径对应的沉速；为系数，= 。0 1 ；c o = 2 5 i n l l1 芸) ； 为床面粗糙度，a = r n a x d 5 。，0 5 】，即a 取0 5 m m 和床沙氏中的较大值。 对于善和7 方向的推移质输移量分别为 ( ，岛w ) = ( ，了