一维水动力

一维水动力模块采用有限元方法求解圣维南方程组,是用于模拟明渠水流的仿真工具。 支持模拟多种流态的河流,快速进行复杂河网的水力计算,适用于大空间尺度的河道水动力 现象的研究。本模块支持亚稳态和跨临界态的计算,支持用户设置水位、流量、水位-流量关系等类型的边界,添加蓄水池、侧堰、溢流堰、土石坝、闸门等水工建筑物,可模拟区间入流、局部水头损失等物理过程,计算输出断面的水位、流量、流速曲线等结果。

1. 河道建模

通过拖拽页面中的建模组件,用户定义河道及水工建筑物的连接关系,进行河道建模。

1.1 河流起点

河流起点表示河流的上游,同样也是河流的上游边界条件的定义组件。

1.2 河流终点

河流终点表示河流的下游,同样也是河流的下游边界条件的定义组件。

1.3 河流汊口

河流汊口表示河流的汇聚与分岔位置,可以由两条河流汇聚成一条河流,也可以由一条河流分岔为两条河流;在汊口中,需要定义各河道交界面的相对坐标及流线方向。

1.4 河流设置

鼠标贴近河道组件的边框圆型连接点时会变成十字连接标,按住拖出河道,连接河道的上游-下游或通过连接汊口-上游/下游即可创建河流。 用户通过输入或上传的方式定义沿河道里标的断面形貌,明确主槽和漫滩的位置,完成对河道及断面的描述。

1.5 侧入流

侧入流表示河道某断面处的额外补充流量,通过影响对应河道的流量调整河流的流动规律,以流量时间序列的形式输入。

1.6 溢流堰

溢流堰用于模拟顶部可泄洪的坝等特殊结构物体,有宽顶堰和薄壁堰两种类型,通过影响河道的水位、流量及水头调整河流的流动规律。

1.7 土石坝

土石坝用于表示拦河坝等特殊结构物体,可自定义坝体形状,通过影响河道的水位、流量及水头调整河流的流动规律。

1.8 闸门

闸门表示用于关闭和开放泄水通道的控制设施,可拦截水流,控制水位、调节流量,用户可定义闸门的宽度、闸底高程、流量系数以及随时间变化的闸门开度。

1.9 侧堰

侧堰表示河道某断面处的额外流失流量,通过影响对应河道的水头和流量调整河流的流动规律,有多种不同的定义方式。

1.10 局部水头损失

局部水头损失表示河道某断面处的水头损失,通常用于表征某些特殊建筑或人为影响引起的河道河流的水头降低。

1.11 蓄水池

蓄水池通常表示内部存有额外水量的某一容器,用于表征池塘库体或径流作用,通过连接器与河道相连。鼠标贴近蓄水池组件的边框圆形连接点时会变成十字连接标,按住拖出连接线,与河道或其他蓄水池相连,即可完成连接。

1.12 连接器

连接线负责蓄水池与河道的连接,或蓄水池之间的连接,有多种实际形态, 如外堰、渠道、虹吸管或箱涵,不同形态表示不同的作用关系以及流量换算关系。在蓄水池已有的连接线上,将已经拖入界面中的连接器组件再次选中,拖至变绿的空连接线上,完成连接线的类型设置。

1.12.1 外堰

外堰表示河道/蓄水池一侧的开口,通常低于河岸/蓄水池侧壁,用户可定义侧堰宽度、侧堰顶的高度、所处里程、流量系数以及激活系数。

1.12.2 渠道

渠道表示一条规则形态的连接用明渠,用户可以宽度、平均底部高程、长度来定义该渠道的形态,并给出渠道的粗糙度(Strickler系数)以及所在里程。

1.12.3 虹吸管

虹吸管即管状连接器,用户可定义虹吸管的长度、横截面积、平均底部高程以及水头损失系数,并给出所在里程。

1.12.4 箱涵

箱涵代表方形的横穿路基的小型泄水构筑物,作为连接器连接河道蓄水池或者蓄水池之间,用户可定义箱涵的宽度、横截面积、平均水位、堰式流量系数、管道流量系数、水流方向。

1.13 降雨径流

降雨径流表示随时间变化的入流流量,需与蓄水池连接使用。将拖入界面的降雨径流组件按住拖到需要连接的蓄水池旁,该蓄水池边框变绿,松开后出现蓄水池和降雨径流间出现虚线即表示连接成功。

2. 仿真参数

2.1 基础信息

基础信息主要概括了作业的基本介绍,包含当前作业的名称以及作业所使用的计算求解内核,用户可以自定义作业名称,选择亚稳态或跨临界态的计算内核。

2.2 时间步&资源设置

时间步&资源设置主要用于定义计算时间步以及输出的内容, 包含计算完成条件、结果/ 日志的写入时间步间隔以及库朗数等信息;根据所选计算完成条件的不同,相关设置及约束条件也会不同。

2.3 物理模型

物理模型中可以设置各河道的摩擦系数,包含不同河道的主槽以及漫滩的摩擦系数的定义,可选择不同的摩擦模型:Strickler、Chezy、colebrook、Bazin。

2.4 河道初始信息

河道初始信息用于定义各河道的初始场,正确的定义初始场对于开启一维水动力的计算至关重要。

2.5 网格部分

网格部分中可以定义河道网格的纵向和轴向密度, 密度越低网格越稀疏,计算量越小,密度越高计算收敛条件越苛刻,结果更丰富。

2.6 结果展示设置

要展示的结果可以通过选择所有虚拟断面或指定断面来决定,所有虚拟断面会输出所有剖分的河道轴向断面上的结果,而指定断面只会输出所选里程断面的结果。

3. 计算结果

3.1 河道结果

河道结果中包含如流量、水位、流速等物理量的变化过程,可以固定某一断面查看物理量随时间的变化过程,也可以固定某一时刻查看物理量随距离的变化过程。点击播放标志的按钮即可查看该物理量的全时刻或全里程所有结果的动态变化。

3.2 蓄水池结果

蓄水池结果包括蓄水池的容积、水位随时间的变化情况。

3.3 连接器结果

连接器结果包括连接线上的交换流量以及交换流速随时间的变化情况。

案例教程

案例1-汊口河道的闸门控流与降雨径流仿真计算

案例2-灌区精细化流量管理仿真预演

案例3-宽顶溢流堰仿真预演

案例4-土石坝仿真预演

案例5-河流侧堰仿真计算

案例6-河道收缩局部水头损失仿真计算

案例7-排水口仿真计算

案例8-虹吸排水仿真计算

案例9-洪水漫滩仿真计算

案例10-降雨径流蓄水池储水仿真计算

案例11-汊口河道闸门控制与降雨径流和溢流堰与测入流综合仿真预演