本教程内容主要来自个人经验、软件帮助手册、官方科学文档(Scientific Documentation)以及相关专业书籍(如计算浅水动力学,计算水力学)等。
提示:
本教程依据的软件版本为 2014 版,不覆盖之后版本软件的新特性和新功能。
本教程主要针对 MIKE 21 FM (Flexible Mesh) 的建模流程,不涉及 MIKE 21 Classic 的建模流程。
教程中提到的MIKE 21 均指 MIKE 21 FM。
1 软件介绍:
1.1 官网地址:
http://www.dhichina.cn/h-col-180.html1.2 官方文档:
https://manuals.mikepoweredbydhi.help/2017/MIKE_21.htm#top1.3 官方软件介绍:
MIKE 21是由丹麦水利研究所(Danish Hydraulic Institute, DHI)的首开发的一个专业的工程软件包,集成在MIKE系列软件包中,用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境问题。
MIKE 21 为工程应用、海岸管理及规划提供完备、有效的设计环境。高级图形用户界面与高效计算引擎的结合使得MIKE 21在世界范围内成为专业河口海岸工程技术人员不可缺少的工具。全球众多的工程技术人员及科学工作者都将 MIKE 21 作为他们的主要模拟工具。
1.4 可能有点用的软件介绍:
MIKE 21 FM 是一个基于浅水方程(Shallow water equations)的二维水动力学模拟软件,其模型基于不可压缩Reynolds平均的 Navier-Stokes 方程,服从于 Boussinesq 假定和静水压力的假定,按水深平均积分得出二维浅水方程组。空间离散采用中心格式有限体积法、Roe 格式黎曼求解器;时间积分采用一阶显式欧拉法或二阶龙格库塔法。
主要控制方程(浅水方程)如下:
\text{连续性方程} \\ \underbrace{\partial_t h}_{\text{水深局部变化}} + \underbrace{\partial_x (h u) + \partial_y (h v)}_{\text{水流的通量散度}} = \underbrace{S_h}_{\text{源/汇项}}
\\[16pt]
\text{x方向动量方程} \\ \underbrace{\partial_t (h u)}_{\substack{\text{x-动量} \\[4pt]\text{时间变化}}} + \underbrace{\partial_x(h u^2) + \partial_y (h u v)}_{\text{x-动量平流输运}} + \underbrace{\partial_x(\tfrac{1}{2} g h^2)}_{\text{静水压力梯度力}} = \underbrace{-g h\,\partial_x z_b}_{\text{重力沿着河床坡度的分量}} \underbrace{- \frac{\tau_{bx}}{\rho}}_{\text{床面摩擦力}}
\\[16pt]
\text{y方向动量方程} \\ \underbrace{\partial_t (h v)}_{\substack{\text{y-动量} \\[4pt] \text{时间变化}}} + \underbrace{\partial_x(h u v) + \partial_y (h v^2)}_{\text{y-动量平流输运}} + \underbrace{\partial_y(\tfrac{1}{2} g h^2)}_{\text{静水压力梯度力}} = \underbrace{-g h\,\partial_y z_b}_{\text{重力沿着河床坡度的分量}} \underbrace{- \frac{\tau_{by}}{\rho}}_{\text{床面摩擦力}}
\\[16pt]
\begin{alignedat}{3}
\text{式中:}\\ t & \qquad \text{:} \qquad \text{时间 } \\
x, y &\qquad \text{:} \qquad \text{水平空间坐标 } \\
h(x,y,t) &\qquad \text{:} \qquad \text{水深 } \\
u(x,y,t) & \qquad \text{:} \qquad \text{x 方向的垂向平均流速 } \\
v(x,y,t) &\qquad \text{:} \qquad \text{y 方向的垂向平均流速 } \\
z_b(x,y) &\qquad \text{:} \qquad \text{床面高程 } \\
\rho &\qquad \text{:} \qquad \text{水体密度 } \\
S_h &\qquad \text{:} \qquad \text{质量源/汇项 } \\
\tau_{bx}, \tau_{by} &\qquad \text{:} \qquad \text{x 和 y 方向的床面切应力 } \end{alignedat}
2 软件适用范围及条件
使用MIKE 21 进行计算必须满足浅水假设,具体为:
可以用以下标准简单判断:
\qquad kh \leq 0.55
\\[2pt]
\begin{aligned}
k &:\ \text{波数,}\text{rad} \cdot \text{m}^{-1}\;,\; k=\frac{2\pi}{L};
\\[2pt]
h &:\ \text{特征水深,m;}
\\[2pt]
L &:\ \text{特征水平尺度(波长),m.}
\\[2pt]
\end{aligned}
{\varepsilon=\frac{a}{h}} \leq 0.1 - 0.3
\\[2pt]
\begin {aligned}
\varepsilon &:\ \text{非线性幅比; }
\\[2pt]
a &:\ \text{自由面起伏的特征幅值,m;}
\\[2pt]
h &:\ \text{特征水深,m.}
\\[2pt]
\end{aligned}
当问题违背了模型的基本假定时,不适用 MIKE 21 计算,例如:
非静水压力过程:破碎、跃流、堰越流、滑坡涌浪、强烈的局部加速。
显著分层与内波:季节性分层湖库、盐楔入侵、强温排水。
需解析垂向细节:构筑物局部水压力分布、底边界层内部动力、生态与水质的垂向输运。
强曲率/小尺度涡结构:急弯局部二次环流、强局地旋涡。
注意!如果你的计算目标不满足模型适用条件,请更换其他模型计算,采用二维模型计算会产生较大的计算误差或结果失真。
3 计划安排
教程将主要按照以下框架组织:
快速上手:在不深究参数的前提下完成一个算例(如丁坝),熟悉建模—计算—后处理流程。
软件基础操作:网格生成器常用功能;基于地形数据构建高程点;HD 模块主要参数与基本后处理。
进阶主题:主要参数机理与敏感性;控制方程与数值离散等。
结果程序化处理:使用官方的 Python 库 mikeio 读取与后处理结果文件。
4 教程目录