水動力模型的案例
積鼎CFDPro水文水動力模型，專為中小流域洪水“四預”研發的流體仿真技術
水動力模型與水文模型是水利工程與水文學研究中不可或缺的兩大工具。水動力模型著重于流體運動的動力學機制，通過一系列方程組捕捉水流的時空變化，而概念性水文模型則側重于流域尺度的水文循環過程，利用物理概念與經驗關系進行近似模擬。兩者相互補充，共同構成了現代水文學與水資源管理領域的核心分析手段。積鼎科技結合了水文的產流機制和水動力的對流動的準確計算，創新研發CFDpro—水文水動力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預的基于二維不規則網格的精細化產匯流模型。
CFDPro水文水動力模型：適用于中小流域洪水四預的精細化產匯流模型
經過多年研發和實踐打磨，積鼎科技結合了水文的產流機制和水動力的對流動的準確計算，創新研發CFDpro—水文水動力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預的基于二維不規則網格的精細化產匯流模型。針對中小流域的暴雨洪水具有洪水反應快，洪水空間分布及推進反應真實等特點，能夠一次計算同時完成洪水預報和淹沒分析，可通過雨量站的實測數據和數值氣象預報的網格數據進行預報和演進計算。具體特征如下所述。
· 二維不規格網格空間劃分
在研究對象的集水范圍內，通過二維網格的形式對空間進行離散，網格的節點保存高程值。
圖1 研究區域影像圖
圖2 研究區域網格離散圖
· 針對不同土地特征的下墊面設置
下墊面根據降雨到產流的不同特征分為水體、水泥地、裸土、草地以及林地等多種土地特征。根據相關的土地利用性質影像圖資料就可方便快捷的進行自動映射到網格上，如下圖所示。
圖3 土地屬性網格圖
整個垂直空間的降雨截流、產流及下滲架構如下表
· 靈活精準的面雨量計算
面雨量的計算是根據監測雨量的點的位置關系進行空間距離權重插值。
展開 【CAE案例】利用三維水動力模型研究模擬澤布魯日港的渦流模式
圖5 在不增加港口沿岸底部摩擦時，渦旋演變過程圖
B．湍流模型/渦流粘度
為了測試水平湍流模型設置對港口模型的敏感性，IMDC的工程師采用了水平渦流粘度恒定為1 m2/s的模型來進行仿真計算。計算表明，采用恒定水平渦流粘度模型時結果比水平渦流粘度約為0.01 m2/s的Smagorinsky格式略高。高粘度系數的使用削弱了港口入口處的射流(圖6a)。隨著時間演進，次級渦旋產生，但仍弱于主渦旋(圖6b)。因此在這種情況下，在退潮開始時，主渦旋仍留在港口(圖6c)，且比次級渦旋略強。然而，隨著時間演進，主渦旋最終消失，流動方向最終與ADCP的測量結果相同(圖6d)。
圖6 采用1m2/s的恒定水平粘滯度的模型計算結果
06 研究結論
IMDC的工程師為了研究澤布魯日港的渦旋，建立了三維水動力的模型。經過對比驗證，水動力模型的計算結果與ADCP的實際測量結果吻合度高。當一個強入流輸入港口，在高水位到達前會形成一個強射流，該射流將產生一個順時針旋轉的主渦旋和一個逆時針旋轉的次級渦旋，其中只有逆時針的次級渦旋在退潮時仍然可見。對水動力模型的敏感性分析表明，計算結果對靠近港口邊緣的河床摩擦非常敏感，且水平渦流粘滯度的變化也會導致港口內出現不同數量的渦。
07 小結
本文主要講述了IMDC的工程師使用水動力通用仿真軟件建立三維水動力學模型來對澤布魯日港港口由于潮汐產生的渦流進行了仿真計算，并與ADCP的實際測量結果進行了對比。IMDC的研究表明，三維水動力的仿真計算結果具有相當高的準確性和可靠性，可以服務于港口處產生的渦旋對港口淤積的影響研究。
展開 建立水動力模型！
前言
前文已經講了如何制作網格文件（.mdf文件），這一博文就講如何建立水動力模型。
Step 1 導出mesh文件
前文制作好的mdf網格文件不可以直接拿來用的，需要先導出成mesh文件，步驟如下三圖：
于是，就可以看到你設定的文件夾里出現了一個 .mesh 的文件，這個就可以用作建立模型了。
Step 2 設置模型參數
首先，選擇【MIKE 21】→【Flow Model FM（.m21fm）】，然后就打開了設置參數的界面，如下兩圖：
接下來，設置一下參數。
【Domain】，加載mesh文件，其他參數均保持默認。
【Time】，這個需要自己設置，如下圖：
模擬結束時間 － 模擬開始時間 = 時間步長 × 時間步數
對于時間步長如何確定，也并沒有特定的要求，我一般是根據情況取 60(1分鐘) 或 120(2分鐘) 或 180(3分鐘) 或 240(4分鐘)。
關于時間步長和時間步數，我自己做了一個 Excel 小工具，很方便計算，上傳到我的CSDN資源庫里了，有需要的讀者可以到資源欄目中自行下載（不需要積分），叫做：【MIKE小工具】-計算時間步數-晏長街。
【Module Selection】，模塊選擇，其中水動力模塊（Hydrodynamic）是必選的。我們這里也只選擇水動力模塊。
接下來的設置就都是水動力模塊的參數了。
【Solution Technique】，算法。
Shallow water equations，淺水方程，Time和Space均選擇低階運算方法（Low order，fast algorithm）就行，其余均保持默認。
Transport equations，傳輸方程，均保持默認。
展開 【CAE案例】數據同化在一維水動力洪峰預報模型中的應用
今天將從實時洪水預報的角度切入，講解數據同化在一維水動力洪峰預報模型中的應用。
案例展示
法國的馬爾納河流域屬于喀斯特地貌，地形復雜，這大大增加了在模型中準確設置上游流量和橫流流量的難度。當地洪水預報中心針對馬爾納流域建立了兩個模型，分別為Marne Village model和 Marne Amont Model，見圖1。
這兩個模型雖然可以達到洪水預測的目的，但是其忽略了支流和地形的影響導致模型結果精度不夠。
為了提高預測精度，法國機構CERFACS的工程師將兩個模型合成為一個全局模型，并且使用軟件OpenPALM與Mascaret耦合，將數據同化的算法應用到一維水動力模型中，以此來對原本忽略的喀斯特地貌和各支流帶來的非線性影響進行統一的推演。
注：數據同化（Data Assimilation，下文中以DA表示）是用于減少模型不確定性的方法之一，數據同化能夠結合觀測數據和數值模擬結果推算出最佳估值，具有預報和降低數值模擬的不確定性這兩種優點。
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【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
04 潮汐計算結果驗證
IMDC的工程師對該模型計算得到的一個月的數據和myOcean的測量數據進行了對比分析，結果說明此模型很好地預測了潮汐的振幅譜分布。從這個分析可以看出，M2波最強，S2和N2具有相似的振幅，所有其他的潮汐波都較弱。
圖2. Wandelaar的潮汐波振幅譜對比
（藍色為二維水動力仿真模型結果數據；
綠色為myOcean.eu測量數據；
棕色為二者差異）
由于M2是潮汐波中最重要的組成成分，因此IMDC僅對M2成分的潮汐波的振幅和相位展開研究。為了驗證二維水動力仿真模型在不受氣象因素影響情況下的有效性，工程師利用此模型進行了1年的模擬計算，得到了M2成分潮汐波的振幅與相位的時間過程，并與TOPEX的結果進行了比較。
圖3展示了二維水動力通用仿真軟件計算得到的M2潮汐波振幅的空間分布，以及計算結果與TOPEX數據的差值。結果表明，在比利時海岸帶，法國海岸的部分地區（尤其在諾曼底）和英格蘭和威爾士的西海岸（特別是在賽弗斯河口）可以觀察到明顯的潮汐現象。
TOPEX中潮汐的振幅與二維水動力仿真計算結果的差異基本小于0.5m，而在淺水與靠近海岸的區域，振幅的差異往往更大。由于在這一部分區域，二維水動力模型的分辨率更高，計算結果會比TOPEX更加準確。此外，模型的計算結果清晰表明，波羅的海附近的潮汐振幅非常小。事實上，波羅的海區域的水位變化主要是由氣象變化引起的。
圖3.
展開 水動力仿真軟件：國產可控，助力水利行業“四預”工程
當前，水動力相關的研究與工程應用愈發依賴先進的技術手段。積鼎水動力仿真軟件，作為一款國產自主可控的專業且強大的數值模擬仿真工具，已在眾多領域嶄露頭角。在水利和水務行業，積鼎水動力仿真軟件不僅可為水利工程設計、防洪減災、水資源管理等領域提供的技術支持，更為水務行業的精細化管理帶來高效的解決方案。
積鼎水動力仿真軟件：助力水利水務行業設計及運維
1、高效預測，防患于未然
洪水、潰壩、泥石流等自然災害是水利行業面臨的重大挑戰之一。積鼎水動力仿真軟件通過先進的水動力模型，能夠對河湖洪水進行精準預測、預警、預演和預案制定。該軟件動態模擬河流水位、流速等關鍵參數的變化，為防洪減災提供科學決策支持。
2、全面防護，守護中小流域山洪安全
中小流域山洪災害具有突發性強、破壞力大的特點，通過在中小流域山洪“四預”平臺中集成積鼎水動力仿真軟件，能夠全面、準確地模擬和預測中小流域山洪災害的發生、發展和影響，可集合“預報、預警、預演、預案”于一體，為防汛減災工作提供了精準的數據支持。
3、智能管理，提升水務運行效率
在水務行業，高效的運行管理是保障供水安全和穩定的關鍵。積鼎水動力仿真軟件水務為企業的精細化管理提供了強大的技術支持。通過高精度的三維水動力模型軟件，實現了水務設施設備的三維可視化，能夠實時監測設備運行狀態，從而優化工藝流程，提高運行效率。
4.深度治理，優化水環境質量
水環境質量的改善是水利與水務工作的另一個重要目標。基于積鼎水動力仿真軟件搭建的水環境治理平臺集成了高效的水質模型，能夠實時捕捉水質變化動態，精確描繪污染物在水體中的遷移轉化路徑。不僅深度剖析水環境現狀，還前瞻性地預測水質發展趨勢，為治理決策提供堅實的數據支撐。
展開 【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
Wandelaar的潮汐波振幅譜對比
（藍色為二維水動力仿真模型結果數據；綠色為myOcean.eu測量數據；棕色為二者差異）
由于M2是潮汐波中最重要的組成成分，因此IMDC僅對M2成分的潮汐波的振幅和相位展開研究。為了驗證二維水動力仿真模型在不受氣象因素影響情況下的有效性，工程師利用此模型進行了1年的模擬計算，得到了M2成分潮汐波的振幅與相位的時間過程，并與TOPEX的結果進行了比較。
圖3展示了二維水動力通用仿真軟件計算得到的M2潮汐波振幅的空間分布，以及計算結果與TOPEX數據的差值。結果表明，在比利時海岸帶，法國海岸的部分地區（尤其在諾曼底）和英格蘭和威爾士的西海岸（特別是在賽弗斯河口）可以觀察到明顯的潮汐現象。
TOPEX中潮汐的振幅與二維水動力仿真計算結果的差異基本小于0.5m，而在淺水與靠近海岸的區域，振幅的差異往往更大。由于在這一部分區域，二維水動力模型的分辨率更高，計算結果會比TOPEX更加準確。此外，模型的計算結果清晰表明，波羅的海附近的潮汐振幅非常小。事實上，波羅的海區域的水位變化主要是由氣象變化引起的。
圖3. 二維水動力仿真模型計算得到M2潮汐波振幅的空間分布（左圖）以及計算結果與TOPEX數據的差值（右圖）
05 Xaver氣旋的反演
Xaver氣旋是2013年12月發生的溫帶氣旋，氣旋的低壓和高風速帶來的強暴風雨在英格蘭、威爾士和比利時多個地區引起災害，造成嚴重的損失。
為了對該氣旋進行反演，IMDC的工程師使用來自GFS（全球預報系統）的空間分辨率為0.5度，時間分辨率為3h的氣壓與風速數據，并線性插值到網格上，使用二維水動力仿真進行了從2013年12月1日至2013年12月31日為期一個月的計算。
展開 【CAE案例】利用三維水動力仿真優化小型水電廠進水渠道
然后通過局部模型來檢查在數值模擬設計出的進水口形狀下，是否會出現水流的周期性振動現象，以此來優化渠道的一些土木工程特性。
圖4 小型水電站進水口渠道內的水位和水頭沿流線分布
小型水電站的這兩個進水口渠道案例通過使用水動力仿真數值模型，縮小對實體比例模型進行的選擇范圍。因為實體比例模型的構建和運行成本比數值模型更高。此外，數值模型用于可視化或提取其他需求變量也可以作為輔助決策的工具。
06 討論
這項工作展示了三維水動力仿真模型如何用于研究水電站進水口渠道的水力學問題。ARTELIA的工程師使用三維水動力數值模型綜合優化土木工程成本和最小化發電廠效率損失的財務風險，并使用了水力比例模型來驗證和改進數值模型的結果。
07 小結
本文主要講述了ARTELIA的工程師利用三維水動力仿真對兩個配備漁道的小型水電站項目的入流口渠道的尺寸和形狀進行了初步評估。三維水動力模型經過河流水位實際測量結果和ADCP測量結果的校驗和敏感性分析后，可以很好地模擬出入流口渠道周圍和內部的流型和流速的分布。三維水動力數值模型可以很好地用于篩選入流口渠道尺寸和形狀或其他水利工程結構的最優配置，進而減少實體比例模型的構建和運行成本，提高效率。
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展開 Delft3D的水動力模擬教程
建模過程
構建一個地表水的水動力模型，我們需要多種類型的信息，如模擬的區域范圍（也就是水體和陸地交界及水位邊界或者開邊界的位置所圍繞的區域），水底地形，區域內的幾何特征，如水工構筑物，排口，最后需要模擬結果的輸出和存儲。由于目前復雜的水動力模型是沒有解析解的，所以我們都需要網格，與網格相關的內容：
合理的選擇模擬的區域及范圍。
確定邊界（開邊界）條件的位置和類型，諸如是水位邊界、流量邊界、流速邊界
確定陸地-水交界邊界（閉邊界）范圍
生成網格
在網格中生成地形
在網格中設置相關的參數，如邊界條件位置，觀測點位置，排口位置
定義模型的時間參數，如開始和結束時間，多種時間相關的函數，如開邊界的時間序列，風向和風速時間序列，流量時間序列，濃度時間序列和其他水流的相關物質的時間序列
?
時間函數（time functions）這里稍微解釋下所謂的時間函數，函數在數學中是一種變量到另外一種變量的過程，在模型中的時間函數，可以理解為一種隨時間變化的過程，具體這個函數可以是一個公式，自變量為t（時間），也可以直接為一組時間序列值，如流量時間序列。
?
date Q(cms)
1 0.4
2 0.6
3 0.7
……
上面的與網格相關的內容，除了最后兩個，都是在使用Flow之前要準備好的，至于網格和地形之前都有寫過了。
文章來源： 水環境編Cheng長 作者：Comies
展開 【CAE案例】應用水動力仿真建立海洋氣象區域模型
所有這些經營建設活動，都需要使用可靠的高分辨率數據和最適用的模擬軟件作為支撐，在研究范圍內搭建模型，對區域性的共同影響進行模擬復現，全面規劃。
在這種情況下，由意大利SPERI機構資助的智能波項目開發了一個先進的建模框架，為決策者提供可靠的管理服務。目前由西西里地區資助，部分區域已投入開發，建立了包括地中海、墨西哥灣和波斯灣的海洋區域模型。這些模型使用了先進的多用途有限元水動力模型open TELEMAC，生成網格的空間分辨率可選范圍極大，從整個海域數百公里的海岸邊界，到特定位置的水工建筑物，都可以精確描述海洋氣象變化。
02
案例展示
研究區域
建立了三種不同的海洋區域模型來模擬地中海、墨西哥灣和波斯灣的運動特征。該模型使用open TELEMAC中的兩個模塊：用來模擬波浪的TOMAWAC和負責二維水動力的TELEMAC-2D，它們能夠模擬不同尺度下的各種海洋氣象過程。
網格
各區域網格的范圍設置得非常廣泛，凡可能對研究區域產生影響的海域均涵蓋在內。本次研究網格密度設定為5km。建立的三角形網格具有自適應的分辨率，會根據地形和海岸線的特征而輕微改變密度。
展開 TELEMAC-3D 和 TOMAWAC 三維耦合系統的開發研究
水動力模型在整個水深范圍內以10個等距水平面運行。在TOMAWAC，施加波高H=1.02m，波周期T=5.26s的單色波。波沿正x軸傳播。水動力模型選擇的時間步長為0.2s，波浪模型選擇的時間步長為2s。這些模型一直運行到達到平穩性為止。
上圖可以驗證波高在域內的演化。由于底部傾斜，波群增加了波幅，在域的較淺部分引起了質量輸運，如下圖所示。
為了補償斯托克斯漂移的散度，產生了與傳播波方向相反的平均穩定速度(下圖)。
由于區域內無源、無匯項，平均流垂直剪切較弱，水平速度本身的演化等于波致壓力梯度與靜水壓力梯度的貢獻。下圖所示的變量被計算出來并作為耦合系統的輸出給出，顯示了這種特殊的動量平衡。
近岸環流
01 平面海灘
波浪引起的沿岸流在不同的情況下可以發揮重要作用，如近岸形態動力學。因此，對其動力學模型進行合理的建模和研究就顯得尤為重要。
實驗的主要目的是再現在平面海灘上斜入射碎波所產生的波浪而引起的近岸流。該設施約30米x50米，在主要部分的坡度為1:30，在海灘的底部坡度為1:18。為了保證沿岸水流的均勻性，在側壁上安裝了抽水系統。四波槳產生不規則波的入射角10o相對于海灘，Hs=0.225米的有效波高和Tp=2.5s的波周期。底部是混凝土做的。分別用10個電容式測波儀和10個聲學-多普勒測速儀(ADVs)測得地表高程和流速值，這些測速儀沿波盆的橫岸方向同時放置。
計算域離散Δx=0.2m和Δy=0.8m。在TELEMAC-3D中，10個水平面在整個水深均勻分布。時間步長設置為Δt=0.2s的水動力和波模型。為保證波浪產生流場的沿岸均勻性，用式(4)和式(5)定義了離岸邊界條件和具有周期條件的橫向邊界。
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【視頻教程】海工教程系列之AQWA入門--MPV船的水動力計算
【視頻教程】海工教程系列之AQWA入門--MPV船的水動力計算
講師：Nutshell
擅長領域：水動力 系泊定位 運動分析 安裝分析 立管分析 模型試驗等
專家檔案:http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402871
水動力計算模型
http://www.yqgqt.org.cn/content/doc/74c72143-b9a8-41c4-b279-ffbd5b627626
對視頻中有什么問題可以@我進行提問，看到我會盡量回答
展開 【環境仿真專題第六講】使用TELEMAC-MASCARET研究影響法國Laita河口流域水體中大腸桿菌濃度變化的主要因素
02
軟件介紹
TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。
03
模型建立
位于法國大西洋海岸線的拉伊塔河口，其上游的農廠、工廠以及污水處理廠排放的污水中含有大量的污染物。為了能夠保證拉伊塔河口下游的水質可以達到貝類養殖的標準，當局希望能夠研究影響水質的主要因素。在本次案例中，水質模型的主要研究對象為大腸桿菌。
水動力學及水質模型
使用Telemac-3D針對拉伊塔河口上游及河口下游處的海域建立了一個高精度的3D模型，網格采用非結構化的三角形網格。水動力模型建立好后，首先模擬2017年2月觀測到的該區域大小潮的水動力變化情況。模擬結果與實測數據吻合，水動力模型的精確性得到驗證。 水動力模型驗證無誤后，開始建立水質模型，水質模型在TELEMAC-MASCARET軟件中的WAQTEL模塊建立。
【預知如何設置參數請掃文末二維碼關注"遠算云學院”】
05
研究結論
本項研究針對法國拉伊塔河口建立三維水動力模型和水質模型，研究了在不同季節的豐水期和枯水期大腸桿菌的濃度分布及最高濃度變化，以此來分析造成污染的主要因素。
展開 【CAE案例】復雜入海口水動力仿真
這項研究表明，二維水動力仿真是一個適合入海口研究的水動力仿真模塊，其具備良好的處理淺水問題和漫灘的能力。
文章來源遠算云仿真
【環境仿真專題第七講】使用TELEMAC-MASCARET研究英國普爾港不同排污情況對水體營養物分布的影響
02
軟件介紹
TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。
03
模型建立
水動力學模型
使用Telemac-2D針對普爾港及其附近區域建立一個高精度的平均深度的2D模型，網格采用非結構化的三角形網格。模型涵蓋的經緯度范圍1.646°W –2.239°W 和50.362°N–50.737°N。開放邊界處的網格的分辨率在200m到5km之間，海岸線的精度則提高到100m。在普爾港內，分辨率進一步提高到30米。地形高程數據由英國相關部門提供。
水動力模型建立好后，首先模擬了2012年5月30天內大小潮的水動力情況，并且將結果于英國海洋數據中心的實測數據進行驗證對比，確保模型的準確性。
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