SMS地表水模擬軟件使用說明

1、SMS地表水模擬軟件的使用說明SMS是英文Surface Water Modeling System(地表水模擬系統(tǒng))首個字母的組合，是美國陸軍工程兵水利工程實驗室(United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory)和揚·伯明翰大學(Brigham Young University)等合作開發(fā)的商業(yè)軟件，可用來模擬水體的流場和濃度場。它由FESWMS-2DH、RMA2、RMA4、SED2D等軟件包組成。本章對將使用的RMA2和RMA4軟件包及其強大的后處理功能作較詳細地說明。1 水動力模型的建立水動力模型建立的步驟

2、如圖1所示：模型運行前處理程序電子地圖坐標 ASC地形信息文件計算網格生成程序二進制地形信息文件水動力模型數值計算程序二進制計算結果文件模型運行后處理程序水動力模型運行控制文件地形信息數據顯示地形信息圖形顯示全部結果顯示選定結果顯示熱啟動輸出（可選項）圖1 RMA2二維水動力模型的工作流程1.1 輸入底圖 采用SMS進行地表水模擬時，首先要輸入較詳細的底圖。SMS8.1軟件輸入底圖的途徑主要有兩種：一、 打開tiff格式的圖形文件，將地圖中隨機的三點的坐標輸入定位，使底圖與實際地形吻合；二、 此外SMS8.1軟件還支持AutoCAD轉換成的R12的.dxf格式的電子地圖，可以直接打開.dxf格

3、式的地圖。1.2定義節(jié)點具體操作如下：1、 點擊圖標增加節(jié)點，利用圖標選擇節(jié)點，以便對節(jié)點進行修改；2、 選中兩節(jié)點，在SMS8.1版本中在窗口下方偏右出現distance項為兩節(jié)點距離，如圖2所示。已知兩點距離，可在Node/Interpolation Option項中調整插入的節(jié)點數，根據實際情況插入節(jié)點。3、 節(jié)點坐標包括x、y、z值可在坐標框中輸入，確定節(jié)點的確切位置及高程，如圖3所示。圖2 兩節(jié)點間距離顯示圖圖3 節(jié)點坐標顯示圖1.3 構建網格1.3.1 網格的構建應滿足以下條件：1、 據水力特征流速大小和過水能力的大小使網格疏密有致；2、 構建模型者所估計的流線平行；3、 三角形與

4、四邊形注意過渡。邊界、流場復雜區(qū)域用三角形，流速均勻、航道、湖區(qū)等地使用四邊形。1.3.2 構建方法：1、手動添加網格單元: 選中三個節(jié)點，點擊，形成形如圖標的六節(jié)點三角形網格；選中四個節(jié)點，點形成八節(jié)點的四邊形網格；點分割四邊形網格或將兩相鄰的三角形網格合成為四邊形網格；點將內含兩個三角形網格的四邊形網格調轉方向，使得網格滿足適應流線，避免出現網格質量的原則。2、通過節(jié)點線構造三角形、四邊形網格：節(jié)點如圖4所示，點連接節(jié)點線，三角形網格三邊界，四邊形網格四邊界，從起點開始，終點雙擊結束，形如圖5所示；最終，6條邊界的節(jié)點線如圖6所示。 圖4 圖5 圖6點選擇節(jié)點線，三邊界須構造三角形網格單元

5、，選中三條邊界，在Element/Triangular Patch構造三角形單元，點Preview預覽，如圖7； 圖7四邊形網格構造與三角形網格構造大體相同，選其四條邊界，在Element/Rectangular Patch中構造,如圖8；另外可根據圖中的四條邊界End1、End2、Side1、Side2中Distribute命令可在中間插入若干個節(jié)點，此方法適合構建大規(guī)模、結構簡單的四邊形網格。圖83、通過map模型，構造大規(guī)模的網格按切換至地圖模型，點在底圖邊界上繪制節(jié)點線，起始點單擊，在終點雙擊結束此條節(jié)點線的繪制,如圖9。繪制另一條相鄰的節(jié)點線時，軟件將自動識別節(jié)點之間的耦合性如圖10

6、。不管地形規(guī)則或不規(guī)則，都要形成一個圖塊，圖塊至少需要四條節(jié)點線，形如圖11所示。構建模型時，為了不同的材質、地形可設置互相連接的若干個塊；連接完所有的塊，點feature objects/build polygons，這時，模型自動建立塊，但是從界面上看不出來。點再選擇你所要構造的塊，出現如圖12 所示的效果。接下來點feature objectiveattribute ，出現如圖13所示，您可以在Mesh Type 中選擇網格的類型，分paving、patch、adaptive tessellation分別代表三角形網格、四邊形網格、密集型三角形網格。點preview預覽。假如構造的塊含有

7、4條以上的節(jié)點線，點選中某個你認為不必要的點（此點是節(jié)點線的起點或終點）在node option中選擇merge就可以把此點轉換成中間點，可進行下一步驟。最后點feature objects/map->2D mesh把地圖生成二維網格。 圖9 圖10 圖11 圖12 網格構造完后，要對模型定義底高程。確定模型所用的單位（米或英尺及其它），在editcurrent coordination中改變unit選項調整單位。圖13 網格的類型1.4 模型質量檢查整個計算區(qū)域的網格劃分完畢后，為使網格收斂，點擊圖標選中Mesh quality選項，對網格進行檢查，檢查內容包括：1、三角形內角滿足10

8、°150°，四邊形內角滿足30°150°；2、兩單元之間的地形最大坡度10%；3、相鄰有限元的面積比是否控制在0.52之間；4、三角形、四邊形任意兩條邊長度的最大比值不超過10；5、節(jié)點地面高程大于水面高程時，是否打開“干/濕”邊界條件；6、為保證能量守恒，盡量使系統(tǒng)的邊界光滑；7、三角形、四邊形有限元是否光滑、平整；8、為節(jié)省計算時間，需要對有限元網格重新編號。對于不符合要求的有限元網格如圖14所示，可根據檢查結果進行調整，具體步驟如下：1、首先將選項Nodes/Locked前面的對號去掉，以便可以任意移動節(jié)點；點擊圖標移動節(jié)點，直到該節(jié)點處不出現質量

9、問題為止；2、對于一些節(jié)點需改變其底高程，可在圖3節(jié)點坐標顯示圖中輸入適當的值，直到不出現網格質量；3、點擊圖標按逆時針方向，點擊需光滑的節(jié)點線起始點，按住Ctrl鍵點擊終點，然后點擊圖標選中需光滑的節(jié)點線，點擊Nodestrings/Smooth命令即可；4、此外，對于四邊形單元應盡量使其長邊與短邊的比例增大，并使長邊方向與水流方向一致。在敏感區(qū)域（如水流變化較大處）需適當增加單元數，以使網格收斂。修改后直至不再出現網格質量問題，方可進行下一步操作。圖14網格質量顯示圖1.5 定義材質不同的材質有不同的糙率，定義材質步驟如下：1、添加新材質，選擇Edit/Material Date點擊New

10、創(chuàng)建新材質，點擊對話框中的ID、Name和Pattern可以定義不同的特性。2、選擇Element/Option，點擊Set default material可以設置默認的材質。若需更改單元的材質，可以點擊工具選擇需要修改的單元。然后選擇Element/Assign Element Type重新選擇材質。3、最后在RMA2/Material Properties中設置材質的不同的參數（曼寧系數和渦粘性系數等）。1.6 設置邊界條件1、利用工具，按下Shift鍵點擊起始點，最后雙擊終點即可創(chuàng)建節(jié)點串。然后利用工具點擊節(jié)點串，查看邊界線方向。入流邊界方向應朝向計算域內，出流邊界方向應朝向計算域外。

11、若不符合要求，可以選擇Nodestrings/Reverse Direction更改方向。2、入流與出流邊界方向確定后，利用工具點擊節(jié)點串選擇RMA2/Assign BC分別設置入流和出流邊界條件。選項Boundary Condition Type中可以設置邊界的類型，Specified flow可以定義流量邊界；Water surface elevation可以定義水位高程邊界；Reflecting boundary可以定義反射邊界；Rating curve可以定義非恒定邊界。一般進口處可以設置入流量和流速，出口處設置水位。1.7 模型控制參數設置模型控制參數的設置是用來定義水動力模型的初始

12、條件的。選擇RMA2/Model Control打開模型控制對話框，參數設置具體步驟如下： 1、General選項：計算機類型Machine Type選擇第一項；Water Properties選擇中，Temperature設置水溫，Density設置水的密度，Specify initial water surface for定義模型出口初始水位，Specify 1D node initial condition設置初始水深和流速估計值；其它選項取默認值，如圖15所示。圖15 RMA2模型控制General選項對話框2、Timing選項：模擬類型Simulation Type中恒定計算選擇St

13、eady state，動態(tài)模擬則選擇Dynamic；設置迭代次數Iteration For Flow Calculations/Initial；在Depth Convergence Parameters/Steady state depth選項中輸入模擬計算的收斂標準（一般取0.0001）；非恒定計算選擇Dynamic，迭代次數和收斂標準設置同上，并在Computation Time中輸入各項值。3、File選項：該選項中設計到文件的存儲功能。若是冷啟動，則保持選項中的默認值即可；若為熱啟動，則需在進行初次計算時打開Write hotstart按鈕，計算完畢后，系統(tǒng)會自動生成“*.hot”文件

14、，若需要利用同一地形繼續(xù)進行計算，則可以打開Hotstart input按鈕，找到“*.hot”文件，便可進行熱啟動計算。4、Materials選項：該選項主要控制干/濕地的打開和關閉。5、Weather選項：該選項可以控制風效應、降雨、蒸發(fā)等因素對計算的影響。1.8 RMA2模型檢查上述操作完成后，便可進行RMA2模型檢查了。選擇RMA2/Model Check，然后點擊Run Check即可運行模型檢查。若出現錯誤，可根據提示進行修改；若無錯誤提示，剩下的可能提示就是對網格進行重新編號。此時可以利用工具點擊出口處節(jié)點串，選擇Nodestrings/Renumber命令即可對網格重新編號，文件存檔。1.9 模型運行 對網格進行重新編號后，便可進行模型計算。選擇RMA2/Run RMA2命令進行模型計算，若模型計算結果收斂，則計算框內會出現“RMA2 finished”字樣；若模型計算發(fā)散，則會出現“Stop depth convergence exceed 25.0”字樣；此時必須重新對網格進行檢查，可以通過修改網格、修改參數設置等措施使網格最終收斂。具體操作如下：1、打開網格質量顯示Mesh