Mike21C模型在河道水流计算中的应用研究.pdf

Mike21C 模型在河道水流计算中的应用研究 Mike21C 模型在河道水流计算中的应用研究 刘哲1（1.交通部天津水运工程科学研究所 天津 300456）摘要摘要：MIKE21 是 DHI 公司在 20 多年来大量工程应用经验的基础上开发出来的系统化软件，可广泛地应用于海洋、河流、湖泊等领域的研究。本文引用松花江依兰枢纽平面布置定床模型试验资料，利用 MIKE21C 建立了依兰枢纽段的数学模型，经检验，计算结果令人满意，其精度可以满足工程应用要求。关键字关键字：Mike21C,数值模拟,松花江,依兰 Application of Mike21C model in riverway flow simulation LiuZhe1(1 Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering;Tianjin;China)Abstract:Mike21 is developed by DHI Company on the base of many project applications,and can be widely used research on the ocean,river and lake.The author refers to physical model data of the SongHua River YiLan Hinge and builds the numerical model by applying Mike21C.The results of simulation are satisfying and accords with the demand of project application.Key words:Mike21C,Numerical Simulation,SongHua River,YiLan Mike21C（Curvilinear Model）是丹麦 DHI 公司开发的 DHI Software 软件中的一个子模块，也是专门针对河道水流泥沙计算所开发的模块。该模块采用网格生成技术，利用曲线网格来拟合不规则的河道区域，在网格生成上与 mike21 不同。1.计算模型：Mike21C1采用的是垂向平均的二维浅水方程，如(1)(2)(3)所示：0=+yqxptZ (1)()()+=+yhpEyhxhpExhhCqpgpxZghdtdp2222 (2)()()+=+yhqEyhxhqExhhCqpgqyZghdtdq2222 (3)式中:h 为水深，m；Z为水面高程，m；p、q 为x、y 方向的单宽流量，m2/s；C 为谢才阻力系数，m1/2/s；g为重力加速度；E为涡粘系数；hqyhpxtdtd+=。求解时，首先根据坐标变换，将上述笛卡儿坐标系下的方程变为曲线坐标系下的形式，如(4)(5)(6)式所示，然后利用有限差分法离散，ADI（Alternating Direction Implicit）算法求解。0=+QPthJ (4)()+=+hpDhhpDhhCqpgpJZyZyghhQphPptpJ2222 (5)()+=+hqDhhqDhhCqpgqJZxZxghhQqhPqtqJ2222 (6)式中：pyqxQqxpyP=,2.网格生成 Mike21C利用它的曲线网格生成器来制作网格，其原理是通过求解椭圆微分方程组来生成正交曲线网格。椭圆方程如(7)(8)所示，具体求解参考文献2。01=+xgxg (7)01=+ygyg (8)这里引用松花江依兰枢纽平面布置定床模型试验资料3，计算区域如图 1 所示，利用网格生成器制作的网格如图 2 所示。丁K14福兴村13丁K1丁K28丁K2丁K29丁K35丁K39丁K36丁K34丁K33丁K32丁K30丁K31丁K4丁K40丁K13丁K37丁K38丁K10付家通倭肯丁K5丁K6丁K7丁K8丁K9迎兰朝鲜族乡制砖厂指挥部牡丹江河依兰县比1比2比4比3比5比6比7比8比9水尺3 图 1 计算区域 图 1 计算区域 图 2 Mike21C 生成的网格 图 2 Mike21C 生成的网格 3.模型验证 根据实测的大、中、小水三级流量及断面数据来率定模型的参数。计算边界条件：上游松花江分别给定流量 5377m3/s，1825 m3/s和 1024 m3/s，牡丹江对应流量为 1187 m3/s，765m3/s和 103 m3/s，下游水位相应为 94.45 m，91.44 m，90.07m；时间步长t=1s,计算 15000 步；计算过程中没有源汇项；涡黏性系数给定为常值 0.5；河床阻力采用曼宁系数，根据水面线推算，该段河道糙率n 的取值范围为：0.0220.028。图 3 为天然实测各级流量的沿程水面线及断面流速与计算结果的比较，可以看出，计算水面线与天然水面线吻合较好，计算断面流速与实测断面流速趋势基本一致，证明计算参数率定比较准确；该段河道整治建筑物比较多，图(4)给出了松花江流量 1024 m3/s，牡丹江流量 103 m3/s时的河道现状流场图，通过分流比计算及实测对比，该计算流场与实测基本一致。89.59090.59191.59292.59393.5050001000015000天然水位数模水位 00.20.40.60.811.21.402004006008001000天然流速数模流速 图 3-1 流量 1024 m图 3-1 流量 1024 m3 3/s/s 9191.59292.59393.594050001000015000天然水位数模水位 0.0000.2000.4000.6000.8001.0001.2001.40002004006008001000天然流速数模流速 图 3-2 流量 1825 m图 3-2 流量 1825 m3 3/s/s 94.494.694.89595.295.495.695.896050001000015000天然水位数模水位 00.20.40.60.811.21.402004006008001000天然流速数模流速 图 3-3 流量 5377m图 3-3 流量 5377m3 3/s/s 图(4)松花江 1042 m图(4)松花江 1042 m3 3/s（牡丹江 103 m/s（牡丹江 103 m3 3/s）时计算流场/s）时计算流场 4.方案计算 将枢纽引入所建立的模型中，由于受二维条件所限，这里仅做电站关闭，泄水闸开启情况的泄流计算。以下上游松花江流量为10280m3/s，牡丹江流量为2400m3/s，下游水位为97.5m时，泄水闸全部开启后枢纽上下游的流场图(4)和下游引航道出口段的流场图(5)。从图中可以看出：敞泄条件下，库区内流速分布接近天然情况，流速明显增加，枢纽下游水流流态分布更加均匀，下游引航道口门区存在一定范围的回流区。图(5)枢纽泄水闸全开启时上下游流场图 图(5)枢纽泄水闸全开启时上下游流场图 图(6)下游引航道出口段流场图 图(6)下游引航道出口段流场图 5.结论 Miek21C 对于天然河道的模拟计算令人满意，对丁坝绕流、航道整治等工程问题可以给出定性与定量的回答，满足工程应用要求；对于在河道上兴建枢纽这种全河段工程，利用该模型可以回答一部分定性的问题，可以把握住大的趋势。参考文献：参考文献：1 MIKE 21C User GuideM.DHI WATER&ENVIRONMENT，Denmark.2005.2 陶文铨.数值传热学M.西安交通大学出版社，2001.3 王义安，于广年，李君涛，刘哲，侯志强，章日红。依兰航电枢纽平面布置模型试验研究R.交通部天津水运工程科学研究所，2006.个人简介 刘哲，硕士，1978 年 10 月，助理研究员，工作两年。所参加过的项目：松花江大顶子长河段数学模型演究；松花江依兰航电枢纽定床模型试验；长江中游嘉鱼-燕子窝河段动床模型试验；湘江土谷塘航电枢纽定床模型试验；滨州港二维潮流数学模型；右江航道整治工程；