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Deflt-3D FLOW 模块简明操作手册河海大学张乃东 1

第一章引言 1.1 特征 wL 一 Delft HydrauliCS 开发一套功能强大的软件包：Delft3D , 主要应用于自由地表水环境。该软件具有灵活的框架，能模拟二维（水平面或竖直面）和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，及各个过程之间的相互作用。 Delft3D 的主要特征为：所有程序模块都具有高度的整合性和互操作性；能直接应用最新过程知识，为久誉盛名的水力学研究所的研发成果；采用了市场上最为友好的图形用户界面。 1.2 模块简介 Delft3D 具体模拟六种现象的时间、空间变化以及其相互联系。该软件包原则上广泛适用于多种情况。运用最为普遍的是海岸、河流以及河口地区。Delft3D 由一系列经过全面测试和验证的模块组成，是相互联系的有机整体。有关模块包括：一、水动力模块（Delft3D 一 FLOW ) 该模块主要用于浅水非恒定流模拟。综合考虑了潮汐、风、气压、密度差（由盐度和温度引起）、波浪、紊流（从简单常量到 k 一模型）以及潮滩的干湿交替。本模块集成了热量及物质传输方程求解，并在 wL 一 Delft Hydraulics 有关分层水动力学等前沿理论研究基础上开发而成。Delft3D 的其它模块均可采用了该模块的输出结果。二、波浪模块（Delft3D 一 WAVE ) 波浪模块主要计算短波在非平整床底上的非稳定传播，考虑风力、底部摩阻力造成的能量消散、波浪破碎、波浪折射（由于床底地形、水位及流场）、浅水变形及方向分布。三、水质模块（Delft3D 一 WAQ ) 该模块通过考虑一系列泥沙输移和水质过程来模拟远一中水域的水质及泥 2

沙。该模块包含了若干对流扩散方程求解工具和一个庞大的标准化过程方程库，其方程组对应用户所选择的物质类型。四、颗粒跟踪模块（Delft3D 一以 RT ) 颗粒跟踪模块为短期的、邻近水域水质模块，通过即时跟踪个体颗粒轨迹来估算其动态、空间（子网格尺度下）密度分布。污染物可以是难降解的，也可以遵循简单的一阶降解过程。该模块也可用于滨岸水域疏浚／浊漏等灾害事件模拟。五、生态模块（Delft3D 一 ECO ) Delft 3D 系统采用了不同的藻类生长和营养动力学模块。例如，研究富营养化现象时，过程库里嵌入了基本控制过程模块，描述生物及非生物生态系统及其相互作用。除 Delft3D 一 wAQ 模块里所有和藻类相关的水质变化过程之外，生态模块还包括一些更为细化的水质过程。六、泥沙输移模块（Delft3D 一 SED ) 该 Delft3D 一 WAQ 的子模块用来模拟粘性或非粘性、有机或无机、悬移质或推移质泥沙的输移、侵蚀和沉降过程。该模块包括若干标准运动方程，单独考虑不同的泥沙粒径。由于忽略床底地貌变化的影响，该模块仅适用于评估短期的泥沙输移过程。七、动力地貌模块（Delft3D 一 MoR ) 该模块用于计算床底地形的变化，其结果取决于泥沙输移梯度以及用户定义的、和时间有关的边界条件。模块中包含风和波浪驱动力，以及一系列的运输方程。该模块的突出特点，是与 Delft3D FLOW 和 WAVE 模块的动态回馈。由此，水流和波浪能够根据当地水下地形自行调整，可以给出任意时间范围的预报成果。本手册以 DEFLT-3D（3.23）为版本，重点介绍水动力模块（Delft3D 一 FLOW ) 操作平台。由于是简明操作手册，因此对于程序的实际原理不做详细介绍。第二章水动力模块（FLOW）简介 FLOW 模块是一个多维（二维或三维）水动力学（和物质输运）模拟程序，该模块综合考虑潮流、气象作用，采用边界拟合较好的曲线网格离散格式，可计 3

算非稳定流和物质输运现象。在三维模拟过程中，垂向网格采用。坐标离散。这样，整个计算场的垂面层数保持不变，从而大大地提高了计算效率。 2.1 应用领域 1、河川径流模拟 2、河流淡水注入海湾流量过程 3、咸水入侵 4、湖泊、海洋、水库中的温度分层现象 5、冷却水取水口及污水排放口 6、溶解及污染物运移 7、潮流和风生流（如：风暴潮） 8、分层流和密度流 9、波生流水流模块 FLOW 计算得出的水动力学结果（流速、水位、密度、盐度等）都可以用作 Delft3D 其他模块的输入数据。 2.3 水流模块 FLOW 操作平台简介应用水流模块建立一套平面水流数学模型总体上需要四个步骤：原体数据的采集和整理，数模的前处理，数值计算过程和数模的后处理。原体数据的采集和整理是：所建数模的边界文件数据和地形散点数据的采集和整理。边界文件数据指的是确定模型的范围，如在 CAD 中读取数据，一般用一条闭合的样条曲线或多段线将模型边界勾画出来，然后要适当调整线段，使所勾画的边界要尽量光滑，其线段上的点要适当密一点。然后从 CAD 中读取样条曲线或多段线上点的 X、Y 坐标，最后建立以后缀名为.ldb 的边界文件。边界文件格式见附表 1。地形散点数据的用来确定模型的地形，如在 CAD 中读取数据，要尽量使所采集的地形散点反映原体地形，地形点一般需要三个坐标：X、Y 和 Z。在 CAD 中直接提取地形点坐标比较麻烦，可以编一些小程序提取数据。最后建立以后缀名为.xyz 的地形散点文件。地形散点文件格式见附表 2。 4

我们最好先建立一个目标文件夹，将上面两个文件放入，然后正式进入建模的环节。数模的前处理有：网格生成模块（RGFGRID）和模型初始场数据生成模块（QUICKIN）。数模的数值计算：水流模块（FLOW）数模的后处理：可视化模块（QP 和 GPP）第三章 FLOW 模块的前处理 3.1 网格生成 Delft3D 的 Delft3D 一 RGFGRID 网格生成模块，可以生成用于 Delft3D 各类模块的尺寸可变的正交曲线网格。网格尺寸可变，便于用户在重点模型区域布置较高密度的网格，而在与之远离的模型边界区域网格密度采用较低密度的网格，以此减小计算量。此外，网格线可以沿陆地边界和渠道弯曲，能达到和边界的光滑嵌合， Delft3D 一 RGFGRID 网格生成模块允许分步生成网格。先将网格进行大致的样条划分，而后把样条转化成粗疏的网格，然后再采取平滑加密。在整个过程当中，可以随时生成正交网格。曲线网格可以用于笛卡尔坐标系和球面坐标系。下面是网格生成的操作步骤。打开 DEFLT-3D，进入 3D 界面，界面右下方会有 chang working directory 指令，点击进入将路径设定为你的目标夹（即建模的文件夹）。然后退出，点击 Grid-RGFGRID 进入网格生成模块。图 3.1 为 RGFGRID 界面。 5

图 3.1 RGFGRID 界面点击界面中的 File，然后点击 open land boundary 指令，出现文件框，从目标文件夹中打开后缀名为.ldb 的边界文件，如图 3.2 图 3.2 点击界面上的指令，界面会出现模型的边界轮廓。点击界面上的 Edit-spline 创建 spline 曲线：一种以节点控制弯曲程度的顺滑的自由曲线,通过编辑(移动\增加\删除)节点可以很容易的调节曲线的曲率和走向,对于刻画不规则的轮廓非常方便.。是删除键和移动键。见图 3.3。 6

图 3.3 spline 曲线例子运用 spline 曲线将模型分割成如上的形状，这是生成网格的前提。Spline 曲线分割模块时，要考虑边界形状和网格的大小。指令 Option-change parameters 是用来设定网格各项参数。点击 operations-change splings into grid 指令，则会按照设定的网格参数生成网格。如图 3.4。图 3.4 生成网格点击指令 view-splines-nosplines,不显示 splines 曲线，此时如有需要，可以更改网格参数，使之变密，见图 3.5。 7

图 3.5 隐藏 splines 曲线点击 edit-line to land boundary 使得网格与边界尽量贴近。具体操作是鼠标左键选中边界网格上一点，在右键网格上另一点，使之与边界吻合。见图 3.6。图 3.6 line to land boundary 指令前后网格变化 8

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