MIKE21 原理及快速入门

1.1 MIKE 21简介

MIKE 21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。MIKE 21为工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。模型利用二阶精度的有限体积法对动态流的连续方程和动量守衡方程求解。

最近几年发展起来的非结构网格模型，给用户提供了最大程度的灵活性，用户可以在模拟区域自由选择计算单元网格的大小，比如，可以在工程区域/感兴趣区域使用较小的网格单元，而在工程远区使用单位较大的网格单元，其结果是整体计算单元较之传统的矩形网格大为减少，从而引起计算速度的提升。

MIKE 21水动力模拟由于各种作用力的作用而产生的水位及水流变化。它包括了广泛的水力现象，可用于任何忽略分层的二维自由表面流的模拟。HD模块是MIKE 21软件包中的基本模块，为泥沙传输和环境水文学提供了水动力学的计算基础。

模型特点

MIKE 21经过了超过25年的连续开发和改进，结合了世界上众多用户的使用经验。DHI一直使用MIKE 21进行科研工作，同时不断地对模型进行一系列的开发和改进。

MIKE21系统包括了如下四种主要建模网格:

单一网格：这是一种传统的矩形模型，是将研究区域划分成同一大小的矩形网格，网格的大小（分辩率）由模拟区域大小及具体应用决定，网格越小计算精度越高，但耗时越长。

嵌套网格：这也是一种矩形模型，只是在同一模型中可以有多种网格大小，在大网格模型中可以嵌套小网格模型。

曲线网格：网格呈四边形或近似矩形，主要适用于蜿蜒河段的水动力学计算和河床演变分析。

非结构网格：这是一种三角形/四边形混合网格，采用单元中心的有限体积解法。该网格能够很好地模拟弯道或水上结构物周围区域的流场。

所有的网格模块都支持先进的用户界面和高效的前后处理工具，包括: 网格地形生成器、数据管理工具、结果浏览器等。

最近几年发展起来的非结构网格模型，给用户提供了最大程度的灵活性，用户可以在模拟区域自由选择计算单元网格的大小，比如，可以在工程区域/感兴趣区域使

用较小的网格单元，而在工程远区使用单位较大的网格单元，其结果使得整体计算单元较之传统的矩形网格数量大为减少，从而引起计算速度的提升。

MIKE 21软件包中的水动力学模块（HD模块）可以模拟由于各种作用力的作用而产生的水位及水流变化。它包括了广泛的水力现象，可用于任何忽略分层的二维自由表面流的模拟。并且HD模块是MIKE 21软件包中的基本模块，它为泥沙传输和环境模拟提供了水动力学的计算基础。

对于洪水计算而言，MIKE 21模型具有以下主要特点：MIKE 21 FM的方程离散方法采用单元中心的显式有限体积法求解，保证了水量和动量在计算域内的守恒； 模型采用非结构三角形/四边形网格元，更有利于拟合复杂边界线，比如堤防； 利用干湿网格判断法处理潮滩移动边界，方便快捷。支持并行计算，能够大幅度减少计算时间。尤其是对于几百公里长的河流，计算时间动辄几天，使用并行计算具有非常大的时间优势。

控制方程

对于水平尺度远大于垂直尺度的情况，水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化较之沿水平方向的变化要小得多，从而将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均可得二维浅水控制方程组。

连续性方程：

X方向动量方程：

?h?hu?hv???hS?t?x?y

?hu?hu?hvu??h?pa???fvh?gh???t?x?y?x?0?xgh2???sx?bx1??sxx?sxy?????2?0?x?0?0???x?x???hTxx????hTxy??husS??x?x????

22 Y方向动量方程：

?hv?huv?hv??h?pa????fuh?gh???t?x?y?y?0?ygh2???sy?by1??syx?syy??????2?0?y?0?0?0??y?x????hTxy???hTyy??hvsS?x?y????

2

方程中t为时间 ；x、y、z为右手Cartesian坐标系；?为水面相对于未扰动水面的高度即通常所说的水位；h为静止水深；u、v、w分别为流速在x、y、z方向上的分

p?量；a为当地大气压；?为水密度，0为参考水密度；f?2?sin?为科氏力参数

?4?1（其中??0.729?10s为地球自转角速率，?为地理纬度）；fv和fu为地球自

sssTTTsT转引起的加速度；xx、xy、yx、yy为波辐射应力分量；xx、xy、yx、yy为水

uv平粘滞应力项，S为源汇项，（s，s）源汇项水流流速。

边界条件

开边界：

?v?t??ur?t??????tvurrrrr 或 或 ?r、ur、vr为开边界r上已知潮位、流速过程。

闭边界： u?0 或 v?0 初始条件：

??x,y,t?|t?t0??0?x,y?

u?x,y,t?|?0t?t0

v?x,y,t?|?0t?t0

?0为计算初始时刻潮位空间分布函数。

数值方法

模型采用非结构网格中心有限体积法进行求解，其优点为可拟合复杂地形，计算速度较快。 对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理，即当某点水深小于

一浅水深

?dry (如0.1米) 时，令该处流速为零，滩地干出；当该处水深大于

?flood

（如0.2米）时，参与计算，潮水上滩。

亚网格水工建筑物模拟

水平尺度上的水工结构物通常较模型计算用的网格尺度小很多，因此结构物的影响通常使用亚网格技术来处理。模型中包含堰，涵洞，闸门，桥墩，涡轮机等五种不同的结构物模拟。闸门在模型范围中被定义为由点组成的断面(至少两个点是必需的),断面在数值模型的计算中定义为邻近两单元的一边。闸门的运算是由一个控制因子来主导。如果控制因子是1, 闸门为开，如果控制因子是零，闸门为关。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5yx8.html