三維水動力仿真的案例
【CAE案例】利用三維水動力仿真優化小型水電廠進水渠道
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 【CAE案例】城市開放水域大腸桿菌的傳播研究
圖7：河道水面和底部的大腸桿菌分布
04 研究結論
本研究為La Villette地區(法國巴黎)的開放水域建立了一個結合模型的水質檢測系統，旨在通過三維水動力仿真耦合WAQTEL模塊建立模型并預測沐浴區大腸桿菌數量是否超過規定閾值。第一個模擬時期（2021年9月12日至22日）包括一場大雨。該模型能夠充分模擬大腸桿菌數量隨時間的演化：雨后濃度增加，5天后濃度下降。17日至21日，大腸桿菌數量超過了規定閾值，沐浴區必須關閉。但是，根據模型結果得到的關閉時間應該比實際關閉時間（9月18日）早兩天（9月16日）。第二次模擬是在熱浪期間進行的（2022年7月13-23日）。結合模型可以觀察到大腸桿菌的分布具有橫向異質性。利用上游的TLF連續檢測并結合水動力模型，我們可以預測下游沐浴區水質情況，這一舉措將為沐浴區關閉/開放的決定提供支持。
05 小結
三維水動力仿真耦合WAQTEL模塊在水質預測方面能提供較準確的結果，且支持添加天氣因素，能夠實現非常實際具體的模擬。其中WAQTEL中的熱交換模塊可以為河道內的水溫變化提供良好的支持。利用三維水動力仿真，我們可以得到同一測量點不同深度的水溫。這有利于研究不同深度的水質及水溫情況，例如預測不同深度河道內的微生物活性以及水柱分層及混合現象。模擬的耗時也比實驗室分析短很多，因此可以快速且實時地提供水質數據。
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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 Fluent實用案例 | Suboff直航水動力仿真
本案例利用Fluent以美國國防高等研究計劃 署 (DARPA) 的標準 SUBOFF 全附體模型 ( 無螺旋槳 )
為研究對象展開靜態水動力仿真分析，并與相關實驗數據展開對比，發現計算結果較為接近。本案例所進行的設置十分簡單。通過此案例后續可以進一步對各種水下航行體模型展開計算，并通過改變攻角、添加螺旋槳等方式，進行更為復雜的水下航行體水動力仿真計算。
1 workbench 設置
本案例具體設置如下圖 ：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
整體幾何結構如下圖:s uboff長為L,直徑為D。外部計算域長為4L ，半徑為12D 。距離入口邊界與模型首部距離為L，出口邊界與模型尾部距離為L 。入口邊界條件設置速度入口邊界，出口邊界條件設置為壓力出口邊界， SUBOFF表面設置為無滑移壁面邊界條件，其余壁面設置為對稱壁面邊界條件 。
3 Fluent Meshing 設置
3.1 網格設置
采用 Fluent meshing進行網格劃分，采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。需要對suboff附近區域進行網格加密，具體網格劃分如下圖所示：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置與網格導入
由于本文僅分析穩態Suboff的水動力特性，因此僅需要進行穩態計算結果的討論，此處的設置比較簡單，勾選為穩態計算。
4.2 模型設置
由于是簡單的阻力計算，因此可以選擇K-W SST湍流模型進行仿真計算。
展開 
【CAE案例】復雜入海口水動力仿真
通過這項研究和其他建模項目，威爾士的有關當局現在已意識到仿真在幫助海岸管理方面的潛力。
07 總結
入海口的仿真具有重要意義，入海口周邊通常是一些需要保護的生態系統，或有大量的人類在該地區進行休閑和旅游活動。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
【CAE案例】水動力仿真軟件在洪澇預測上的服務開發
由歐洲航天局
(ESA) 在綜合應用促進
(IAP) 計劃框架內資助的中型高山集水區關鍵基礎設施保護增強洪水預報系統項目
(Enhanced Flood Forecasting System for Critical Infrastructure Protection in Medium Size Alpine Catchments, EFFORS) 通過利用實時測量、觀測和數值模型來提高預報質量。該項目涵蓋了衛星通信、地理信息系統、氣象學、水文學、計算工程和水力學。
EFFORS系統包含氣象、水文和水力等模塊，可對強降水、泄洪和洪水淹沒地區進行 24 小時預報。EFFORS系統的核心是一個shell程序，結果每小時更新一次，系統接近實時運行。由于計算成本高，尤其是水力部分，EFFORS在服務提供商ZAMG（奧地利中央氣象和地球動力學研究所）的高性能計算機群 (HPC) 上運行，結果顯示在交互式 Web應用程序中。
為節省計算資源，水力計算僅在預測流量超過某個閾值時運行。利用TELEMAC-2D模塊，將干流中的排放以及側向支流的排放作為液體邊界，計算關注區域的速度和水深。
展開 【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
07 小結
本文主要講述了IMDC的工程師利用二維水動力通用仿真軟件建立二維水動力模型，對比利時海岸帶的水位和流速進行了模擬計算，并與TOPEX的實測數據與Xaver氣旋期間Oostende和de Wandelaar站點的實際測量結果進行了對比。
IMDC的研究表明，使用二維水動力通用仿真軟件建立的大陸架模型，不僅可以很好地模擬常況下由潮汐波引起水位變化，更能夠很好地預測極端氣候條件下海岸帶的水位變化情況，具有相當的準確性和可靠性。
文章來源：遠算云仿真
【CAE案例】復雜入海口水動力仿真
通過這項研究和其他建模項目，威爾士的有關當局現在已意識到仿真在幫助海岸管理方面的潛力。
07 總結
入海口的仿真具有重要意義，入海口周邊通常是一些需要保護的生態系統，或有大量的人類在該地區進行休閑和旅游活動。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。
格物云CAE
一款國產可控云端仿真平臺，結構、流體、水動力仿真軟件場景化模塊化，支持多格式網格導入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計算，降低CAE使用門檻，拓展CAE應用范圍，加速工業企業研發制造數字化轉型。平臺支持云端CAE仿真生成工業APP，構建完全交互式仿真社區，快速實現行業通用經驗軟件化。
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展開 SAMCEF 轉子動力學仿真案例（一維二維三維）
SAMTECH 公司是世界著名的有限元軟件S A M C E F 的開發商及供應商，成立于1986年，專注于機械系統仿真、數值分析和多學科優化等領域。30年來，SAMTECH憑借強大的技術實力、專業的技術團隊及完善的服務體系贏得了全球眾多用戶的青睞。轉子動力學分析是判斷航空發動機運行穩定性和可靠性的重要依據，也是提高系統效率、延長使用壽命、實現系統優化設計的技術和理論基礎。SAMCEF FOR ROTOR是專業的轉子動力學分析軟件，在航空發動機設計分析領域有著廣泛應用，是世界范圍內著名的商用轉子動力學軟件，包含多種轉子模型的定義。
1.一維模型梁—剛性盤—彈簧模型
轉子采用梁單元模擬，軸承采用彈簧單元模擬，輪盤采用集中質量單元模擬。這種模型計算速度快，適用于有大量設計參數需要進行調整的初步分析。
2. 二維模型傅里葉多諧波軸對稱模型
轉子采用2D 傅里葉多諧波單元模擬，可準確描述結構的軸向變形、扭轉變形和彎曲變形。這種模型適合對轉子結構創建更精細的計算分析模型及葉片數量較大的轉子模型。
3. 三維模型（多級）循環對稱模型或3D 模型
轉子采用3D 有限元實體單元模擬，可以更詳細、更精確的描述發動機的幾何特性。適用于結構彎扭振動耦合作用明顯時或者葉輪、風扇等較復雜的幾何模型。
這里有SAMCEF轉子動力學建模實例，包括1維/2維/3維模型，
SAMTECH 公司是世界著名的有限元軟件S A M C E F 的開發商及供應商，成立于1986年，專注于機械系統仿真、數值分析和多學科優化等領域。30年來，SAMTECH憑借強大的技術實力、專業的技術團隊及完善的服務體系贏得了全球眾多用戶的青睞。轉子動力學分析是判斷航空發動機運行穩定性和可靠性的重要依據，也是提高系統效率、延長使用壽命、實現系統優化設計的技術和理論基礎。
展開 【CAE案例】應用水動力仿真建立海洋氣象區域模型
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。
圖1
地中海區域模型的網格劃分
圖2
墨西哥灣區域模型的網格劃分
圖3
波
斯灣區域模型的網格劃分
大氣壓強
首先對模型所在區域進行了大氣壓強敏感性分析，通過與歷史數據的驗證，確定了各區域最適合的壓強數值設置，從而保證不影響后續參數進行率定。
邊界數據
隨著氣象衛星處理圖像效率和計算能力的不斷提高，全球尺度上海洋建模的精度和空間/時間分辨率都在不斷提高。有國際機構和組織開發了多套數據庫，負責收錄全球或局部區域范圍內的海洋氣象信息，能夠提供不同尺度、不同格式的邊界輸入數據。主流的有ERA5, CFSR, COSMO, TPXO。
展開 【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
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。
下圖展示了模型在Oostende和de Wandelaar兩個測點計算得到的水位結果與來自myOcean.eu的實測數據的對比。
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 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 【仿真課堂】遠算科技國產水動力軟件走進浙江海洋大學高校課堂
為了加深高校學生對有限元數值仿真的了解，蓄力國產工業仿真軟件持續創新和技術進步，6月3日及10日，遠算科技走進浙江海洋大學，為海洋工程裝備學院港口航道與海岸工程專業近百名高校學子開展水動力仿真學習課程，并通過遠算格物云CAE的國產水動力軟件，帶領同學們進行了仿真實踐練習。
在課上，首先為同學們介紹了當前國產工業軟件面臨的高度依賴國外產品、技術人才緊缺、使用門檻較高的發展現狀，闡述了遠算科技在工業軟件方面提出的國產化、場景化和云端化發展新思路，并展示了基于自身先進高性能云計算技術，深度融合數值仿真技術，專為仿真工程師“量身定制”的國產可控云端仿真平臺——格物云CAE。
遠算科技的資深工程師們也為同學們講授了一維水動力、二維水動力及潮汐原理等理論知識，并帶領同學們在格物云CAE仿真平臺上進行實際上機操作練習，加深數值仿真的理解與應用。
未來，遠算科技也將進一步加強高校交流與合作，促進高校科技成果轉化，并將持續提升企業自身科技創新能力，期待共同推動國產工業軟件的研發與應用。同時也誠邀高校學子參加遠算工業仿真實習，融合知識理論，獲取最新行業實踐，歡迎感興趣的同學積極報名！簡歷投遞郵箱：joinus@yuansuan.cn。
格物云CAE
一款國產可控云端仿真平臺，結構、流體、水動力仿真軟件場景化模塊化，支持多格式網格導入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計算，降低CAE使用門檻，拓展CAE應用范圍，加速工業企業研發制造數字化轉型。平臺支持云端CAE仿真生成工業APP，構建完全交互式仿真社區，快速實現行業通用經驗軟件化。
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展開 【培訓動態】格物云CAE水動力仿真線下培訓圓滿結束！
為普及和推廣云原生水動力仿真軟件的使用，讓更多用戶體驗云端水動力仿真軟件的簡單易用性，并通過不確定性分析技術強化水利領域數字孿生能力，遠算科技在11月24日成功舉辦“格物云CAE水動力仿真線下培訓”。
此次培訓內容基于遠算科技自主研發的國產可控仿真云平臺——格物云CAE，通過格物云CAE軟件一維、二維水動力模塊，以水利數字孿生真實案例作為切入點，幫助學員短時間快速了解格物云CAE-水動力仿真軟件的相關功能和應用范圍并掌握軟件使用方法。
同期，遠算科技特別邀請法國電力集團資深仿真專家Julien Pelamatti為大家講解如何采用專業的統計分析工具對數字孿生中的不確定性進行分析，也向學員們分享了他在法電多年寶貴的科研經驗。
培訓中，遠算科技專家為參訓人員帶來了一維、二維水動力仿真模塊功能介紹，帶領參訓人員登錄格物云CAE網頁端，手把手實操水利真實案例，近距離答疑解惑，順利完成案例仿真操作。
現場互動環節積極熱烈，學員們紛紛表示受益匪淺，對格物云CAE的實際能力和應用前景表示高度認可。
此次培訓不僅是對學員的知識和技能的提升，更是國產工業仿真軟件格物云CAE在水利數字孿生和數值仿真領域潛力的一次展示。而采用國產工業仿真軟件，不僅可以顯著提升國內水利工程設計和管理的自主性、靈活性與安全性，也能為我國水利基礎設施的現代化發展打下堅實基礎。
未來，遠算科技將進一步發揮數值仿真技術優勢，拓展行業應用場景，并開展更多技術性干貨培訓，分享寶貴技術經驗，推動國產仿真軟件蓬勃發展，賦能更多行業應用需求，幫助企業降本增效，推進行業數字化進程。
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