三维河冰

格物云CAE-三维河冰模块可以用于湖泊、水库、河流、入海口等具有明显三维流动特性的区域的冰动力学仿真,广泛应用于冬季寒冷流域的河流结冰模拟、水库结冰和水温变化模拟以及港口海岸的水冰作用模拟。本基础教程将介绍三维河冰建模设置项,帮助用户快速了解格物云CAE-三维河冰模块功能。

1. 矢量

在矢量数据选项卡中,用户指定工程使用的坐标系,并选择矢量地图或卫星地图为底图,创建多边形、线、点类型的矢量形状。所创建的矢量形状用于接下来生成几何、生成网格、点位分析等操作。

2. 几何

2.1 生成几何

在生成几何选项卡中,用户把研究区域的外轮廓矢量形状指定为“主网格轮廓”,把研究区域内需要网格加密矢量形状设置为“子网格轮廓”,且设置为可淹没区域;把研究区域内需要网格挖空的矢量形状设置为“子网格轮廓”,且设置为不可淹没区域。点击“生成几何”按钮后创建一个可用于网格划分的二维几何。

2.2 几何分组

在几何分组选项卡中,用户可以创建水动力边界。用户需设置分组名称和分组位置。

3. 网格

3.1 生成网格

在网格选项卡中,用户可选择“自动”或“手动”的方式设置网格尺寸。若选择“自动”,模块将基于几何的尺寸自动设置网格尺寸。若选择“手动”,用户需设置网格的尺寸范围:最大尺寸、最小尺寸。除了设置主网格以外,还可以添加子网格进行网格的局部加密。完成网格尺寸的设置后,点击“生成网格”按钮创建网格。

3.2 网格赋值

在网格赋值选项卡中,可以针对已经生成的网格进行高程、水深、水位、摩擦等进行赋值。赋值方式可选择常值或xyz/tif等数据赋值,并可自定义赋值范围,调整赋值边距。

3.3 网格设置

在三维模块中,可以点击网格设置选项卡,进行网格等分层数的定义。

4. 水动力设置

4.1 模型

点击展开左侧“水动力设置”下的“模型”分支,用户可分别对初始条件、边界条件、底部摩擦、湍流模型、天气因素、源汇项进行设置。

4.1.1 初始条件

在初始条件选项卡中,用户可以对研究区域的初始条件进行设置。可设定初始水深场、初始水位场、初始示踪物浓度场。初始值类型包括:全场均匀、随空间变化。

4.1.2 边界条件

在边界条件选项卡中,用户可对边界所在位置和边界条件属性、边界施加值进行设置。其中,可选边界属性包括:水位边界、流量边界、潮汐边界。水位、流量边界值的可选类型包括:常值、随时间变化的值、水位-流量关系等。对于潮汐边界,用户可上传潮汐数据文件及设置该文件的相关参数。

4.1.3 底部摩擦

在底部摩擦选项卡中,用户可对摩擦模型、摩擦值进行设置。其中,可选的摩擦模型包括:无摩擦、曼宁公式、谢才公式。底部摩擦系数值类型包括:全场均匀、随空间变化。

4.1.4 湍流

在湍流选项卡中,用户可对垂直和水平两个方向的湍流模型、扩散系数进行设置。其中,可选的湍流模型包括:均一模型、k-ε模型。

4.1.5 天气因素

在天气因素选项卡中,用户可对天气模型、气象值进行设置。其中,可选的天气模型包括:简化降雨模型、简化蒸发模型。选定天气模型后,用户需设置不同模型对应的参数,如降雨量、蒸发量、时长等。可以设置的时变气象值有:风速、风向、气压等。

4.1.6 源汇项

在源汇项选项卡中,可选择点或面类型的源汇项,设置源汇项的名称坐标位置和三维空间中的高程、源汇项的流量,并可以添加常数或随时间变化的示踪物。

4.2 计算时间

在计算时间选项卡中,可对时间步、总模拟时长进行定义。其中,时间步可设为固定值,也可以设置为随库朗数变化。

4.3 结果配置

在结果配置选项卡中,可根据需要选择特定的结果输出频率、输出变量。其中,可选的输出变量包括三维的高程(水位)、流速(X方向的流速、Y方向的流速、Z方向流速)、示踪物;以及二维的水深、水位、高程、流量(X方向的流量、Y方向的流量、流量标量)、流速(X方向的流速、Y方向的流速、流速标量)、示踪物等等。

5. 河冰设置

在河冰设置选项卡中,用户可以根据所需要考虑的各类冰动力学现象,调整相应的模型和具体参数,包括通用模型、水内冰模型、冰盖模型等,并在模型设置完成后配置所需要进行分析的结果。

5.1 模型

5.1.1 通用模型设置

河冰通用模型设置中,用户可以对研究区域的盐度、热能输入和平衡计算、水冰动力学通用参数和气象条件参数进行设置。

5.1.2 水内冰模型设置

水内冰模型设置中,用户可以对位于水内的冰晶进行配置,设置类型数目、直径厚度比以及冰点温度等,还可以对晶种模型、二次成核模型、水内冰晶的聚凝和破碎作用等模型进行详细配置。

5.1.3 冰盖模型设置

冰盖模型设置中,用户可以对位于水面的冰盖进行配置,选择不同的模型以及设置不同的校准系数。

5.1.4 河冰条件设置

河冰条件设置中,用户将对水体冰晶(水内冰)或水面冰盖的初始条件和边界条件进行设置,调整不同冰体的浓度或冰盖的厚度。

5.2 结果配置

在河冰模型的结果配置中,用户可以对河冰模型的输出频率进行设置,通过选择不同的输出变量在后续结果查看中得到各变量的云图、曲线等结果信息。

6. 仿真计算

在仿真计算选项卡中,用户可选择计算所需要的核数。点击“开始计算”按钮提交计算。需要注意的是,在首次河冰计算时,原则上应先进行“仅水动力求解”,确定水动力模型无误后,再进行“河冰耦合求解”。

7. 计算结果

7.1 结果云图

计算结果以云图的方式展示,点击播放按钮,既可看到计算结果变量(如水深、水位、流量、流速等)随时间变化的过程。用户自由可调整显示色阶的最大值和最小值、当前显示的帧数、播放速度等。

7.2 点位分析

在点位分析选项卡中,选择点矢量,提取点位处所有结果变量随时间变化的曲线,还可以点击“下载”按钮下载数据表格。

7.3 断面流量

当用户在【结果配置】中勾选了输出断面,即可在此处查看所选择的断面流量随时间变化的过程线。

案例教程

案例1 - 松花江跑冰排景观模拟