数值模拟软件1.6.3优化改进

水沙运动数值模拟是一项较为系统的工作，其研究水平不仅仅取决于水沙数学模型的构建和求解，水沙数据整理、地形获取、网格生成、图形绘制等诸多环节也往往是决定数模计算精度或工作效率的关键，有时甚至是控制性因素。因此，本节将基于已有的研究成果，对前处理、数模计算、后处理等数模工作中诸多关键环节进行系统的分析。

数值模拟软件是研究流体运动问题的重要工具之一。目前，国外已开发了许多著名的计算流体动力学商用软件，如PHOENICS、CFX、STAR-CD、FLUENT等。此类软件一般属于通用计算流体力学软件，具备了前处理、求解器以及后处理。而对于河道或水利工程中一些湍流问题的数值模拟，由于其具有尺度大、边界复杂、驱动力主要为重力、具有自由表面等特点，这类软件所能求解的空间尺度以及时间尺度都不大。

水利工程学中许多问题其控制方程及边界条件往往不同于一般的湍流运动，对此类问题的数值模拟又形成了一类专门的学科，即计算水动力学。计算水动力学属于计算流体动力学的范畴，但现有的计算流体动力学软件对水动力领域的诸多问题无法解决。对于计算水动力学问题，目前也形成了一系列比较优秀的商用软件，如荷兰的Delft3D、丹麦的DHI系列软件、美国的SMS-RMA和CCHE2D等。这一类软件通常具备了基本的水动力模型，然而这种水动力模型与上述的计算流体力学的功能却不相同。这一类的水动力模型一般称作“顶盖式”水动力模型，它并不能用于气-液两相计算。也就是说，本类模型计算出的信息包含自由液面，但是自由液面却如锅盖一般盖住整个表面，虽然会有高程的空间变化，但并非CFD的VOF类型的两相流计算模型。以下简单介绍目前业界较为著名常见的商用软件：

（1）Delft3D软件。Delft3D软件是荷兰水利研究所推出的一套模拟系统，包含了水动力、波浪、泥沙运移、河床变形、水质及生态等模块，适用于河口、湖泊及海岸地区相关问题的模拟。该软件集成了二维及三维水动力模型，计算网格采用的是直角网格和正交曲线网格，数值方法则是用有限体积法进行离散，变量布置采用交错网格，线性方程组求解采用ADI法。系统界面实现了与GIS的无缝链接，有强大的前后处理功能，并与Matlab结合，支持各种格式的图形、图像和动画仿真。除此之外，系统的操作手册、在线帮助和理论说明全面、详细、易用，既适合一般的工程用户，也适合专业研究人员。目前，Delft3D系统在国际上的应用十分广泛，除欧洲国家有许多用户外，由于其界面友好、使用学习容易，国内也渐渐普及。

（2）DHI系列软件。DHI系列软件是丹麦水力研究所推出的水环境软件系统，其包含所有水利以及水文有关的模块，包括一维模型MIKE11，二维模型MIKE21，三维模型MIKE3，地下水模型MIKE SHE、FEFLOW，管网模型MIKE URBAN。其中MIKE11包括降雨径流、水动力、泥沙以及水质等模块。MIKE21以及MIKE3则是包含波浪、水动力、泥沙运移、水质、生化等模块。MIKE系统具有目前业界最佳的耦合功能，除波浪、水动力、泥沙三个模块可以进行耦合计算外，也可进行水动力、水质等其他模块的耦合计算。此外，对于淹水计算DHI也提供了MIKE Flood耦合计算界面，将MIKE11-MIKE21-MIKE URBAN进行三方耦合计算，将上游集水区的产汇流计算、一维河道水动力计算、都市平面二维水动力计算、都市下水道管网计算合并一起耦合计算。

DHI系列软件界面友好，具有强大的前后处理功能，国内比较熟知和应用广泛的是MIKE11和MIKE21，主要用于水动力计算、防洪预报和水质模拟等领域。目前在国内许多大型建设评估报告之中都使用MIKE21模型进行评估。(www.xing528.com)

（3）SMS系统。SMS是Surface-water Modeling System的缩写，该软件由美国Brighain Young University等联合研制，提供了一维、二维、三维的有限元和有限差分数质模型。可用于河道水沙数值模拟，径流、潮流、波浪共同作用下的河口和海岸的水沙数值模拟，在计算自由表面流动方面具有强大的功能。SMS套装软件包括TABS-MS（包括GFGEN、RMA2、RMA4、RMA10、SED2D-WES）、AD2CIRC、CGWAVE、STWAVE、HIHEL等计算模块，用户可以根据实际情况选择不同的计算程序。

国内应用较多的为RMA2软件包。它有强大的前后处理功能：自动生成非结构计算网格，辨别网格的品质及进行元格品质的调整；能进行流场动态演示及动画制作、计算断面流量、实测与计算过程的验证、不同方案的比较等。

（4）CCHE软件包。CCHE是美国密西西比大学工程系研制的一套通用模型，该模型能基于三角形网格及四边形网格求解，以有限元进行求解。可用于河道、湖泊、河口、海洋及其输运物的一维、二维及三维数值模拟。目前也包含了一些海岸以及淹水模型。

目前，中小河流、河口治理基本上都采用数学模型来解决工程实际问题，在规划阶段数学模型应用更为普遍，数学模型已部分取代物理模型试验工作，其应用范围正在进一步拓展。一些国际科研机构已开发出了许多著名的商用软件，如DHI的MIKE系列，Delft的Delft3D软件，密西西比大学所属NCCHE所开发的CCHE1D、CCHE2D以及CCHE3D系列软件，美国陆军工兵团所发展的HEC-RAS等，它们在国际享有盛誉，实际应用成果均受到肯定，足见泥沙数学模型作为河床变形定量预测的重要手段日益受到重视，并已广泛用于实际工作中，具有广泛的发展前景。