mike21泥沙输运
基于MIKE21的江苏如东海上风电场泥沙冲淤数值模拟
谢谢观看
通过模拟结果，本次演示探讨了该风电场的泥沙冲淤现象，并提出了相应的工 程措施。最后，总结了MIKE21数值模拟在江苏如东海上风电场泥沙冲淤研究 中的应用，探讨了其优缺点和改进方向。
1、引言
海上风电场是一种清洁、可再生的能源。然而，在风电场建设和运营过程中， 泥沙冲淤是一个普遍存在的问题。江苏如东地区拥有丰富的海上风电资源，但 其泥沙冲淤问题也较为突出。因此，本次演示旨在利用MIKE21软件对江苏如 东海上风电场的泥沙冲淤进行数值模拟研究，以提出有效的工程措施，保障风 电场的正常运行。
2、研究背景
江苏如东地区位于长江三角洲地区，地势低平，河网密布。该地区属于亚热带 季风气候，夏季受东南季风影响，冬季受西北季风影响。此外，江苏如东地区 还拥有丰富的海洋资源，包括近海养殖、风力发电等。在此背景下，本次演示 以江苏如东海上风电场为研究对象，对其泥沙冲淤现象进行数值模拟研究。
3、泥沙冲淤分析
参考内容
摘要
本次演示以Mike21FM模型为基础，对来宾电厂扩建工程的温排水进行数值模 拟研究。通过建立数学模型，模拟不同工况下温排水的影响，并对模拟结果进 行深入分析。本次演示的研究成果将为电厂扩建工程的规划和设计提供参考， 有助于提高温排水的影响。
引言
随着经济的快速发展，电力需求不断增加，电厂扩建工程成为满足电力需求的 重要手段之一。然而，电厂扩建工程会产生大量的温排水，对周边环境产生严 重影响。因此，如何合理规划和设计温排水处理方案成为电厂扩建工程的关键 问题之一。本次演示旨在通过基于Mike21FM模型的数值模拟研究，为来宾电 厂扩建工程的温排水处理提供参考。
MIKE21教程(2024)
在模型中考虑堤防的溃决过程，模拟溃堤后洪水的演进情况，为防 洪决策提供科学依据。
洪水风险图制作
基于洪水演进模拟结果，制作洪水风险图，标识出不同淹没深度的区 域，为洪水风险管理提供支持。
2024/1/30
28
河道整治方案评估
河道地形建模
利用MIKE21建立河道地形模型， 包括河床地形、河岸地形等，为 后续整治方案评估提供基础数据 。
简要介绍多模型耦合技术的概念、原理及其在MIKE21中 的应用。
01
耦合模型构建
详细阐述如何构建多模型耦合系统，包 括模型选择、接口设计、数据传输等关 键步骤。
02
2024/1/30
03
耦合案例分析
通过具体案例，展示多模型耦合技术 在解决实际问题中的优势和应用效果 。
35
自定义函数编写及应用举例
2024/1/30
自定义函数编写方法
介绍如何在MIKE21中编写自定义函数，包括函数结 构、语法规则、调试技巧等。
自定义函数应用举例
通过实例演示自定义函数在MIKE21模拟过程中的具 体应用，如边界条件设置、源汇项处理等。
自定义函数优化建议
提供一些优化自定义函数的建议，以提高模拟效率 和准确性。
36
拓展模块介绍及功能展示
污染物扩散模拟
MIKE21可模拟污染物在水体中的扩散过程 ，包括对流、扩散、衰减等作用。
污染源识别
通过分析模拟结果，可识别出主要污染源及 其贡献率。
2024/1/30
扩散路径分析
可追踪污染物的扩散路径，为污染防控提供 决策支持。
32
环境影响评价辅助工具
模拟预测环境影响
通过模拟预测，可评估项目对环境的影响程 度及范围。
mike21泥沙输运
河床更新
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
典型输运表格:
一般参数
根据水流和波浪 范围，水深和河 底坡度值得出的 计算结果
计算输运率
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
采用非线性波浪理论得出的旋波速度
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
泥沙输运算法
qT = qb + qs
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
对单一水流和混合波浪流来说，两种算法得出泥沙输运矢量。 单一水流：平衡和非平衡方法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
推移质 - Engelund & Hansen - Van Rijn - Engelund & Fredsøe - Meyer Peter & Muller
悬移质 - Engelund & Hansen - Van Rijn - Engelund & Fredsøe
为了形成上述过程，我们要求靠近河床处高的分辨率： 这在sigma层模型中不现实。 结论是。。。
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
MIKE-使用说明
1 基本参数与设置度可以忽略时，湖泊、河口、海湾、海岸和海洋的水动力、环境现象的模拟。
共分为4个模块：• 水动力模块（Hydrodynamic ）；• 平流扩散模块（Advection-Dispersion ）； •泥沙输运模块（Mud Transport ）； •生态过程模块（ECO Lab ）。
其中，水动力模块是基础，为其他三个模块的计算提供动力。
泥沙输运模块可以用来模拟波流共同作用下粉砂、淤泥和粘土的冲刷、输移与沉降。
适用范围：矩形网格。
• 水动力模块（Hydrodynamic Module ） • 输运模块（Transport Module ）• 生态过程、溢油模块（ECO Lab/Oil Spill Module ） •淤泥输运模块（Mud Transport Module ） • 粗砂输运模块（Sand Transport Module ） • 粒径追踪模块（Particle Tracking Module ） •波谱模块（Spectral Wave Module ）其中，水动力模块与波谱模块是最基本的两种。
适用范围：三角网格。
Alternative Direction Implicit Method ）：交替方向隐式方法。
把每一个时间步长分成两步进行，前半步隐式计算x 方向流速分量及潮位，显式计算y 方向流速分量；后半步隐式计算y 方向流速分量及潮位，显式计算x 方向流速分量。
2.9m 。
simulation start time ）、总步数（no. of time steps ）及时间步长（time step interval ）。
时间步长一方面决定了结果文件的最大输出频率，另一方面实现了不同模块的同步耦合。
具体计算时的时间步长则是在solution technique 中定义的。
水动力、平流扩散和波谱模型的计算步数是动态的，只要满足稳定性要求即可；对于泥沙输运和水质模型，进程可能多个步长更新一回。
MIKE21介绍
MIKE21介绍
MIKE21软件基于有限元和有限差分方法，利用数值模型来描述和求
解水动力学方程。
它的核心功能包括计算流速、水位、悬移物输运、波浪
传播和沉积物变化等。
它还可以考虑各种物理和生物过程的影响，如潮汐、风、河流流量、植被和人类干预等。
MIKE21可用于各种海洋和河流工程应用，包括航道设计、海岸保护、港口规划和泥沙管理。
它可以帮助工程师和规划者预测和评估不同工程方
案的效果，以减少对环境和生态系统的不良影响。
此外，MIKE21还可以
用于水域环境管理和水资源规划，以优化水资源的利用和保护。
MIKE21的模拟结果可以以各种方式进行可视化和呈现。
软件提供了
丰富的图形和统计工具，用于分析和展示模拟结果。
此外，它还具有用户
友好的界面，使用户能够轻松设置模型参数和运行模拟，并可根据需要进
行灵活的参数调整。
总结起来，MIKE21是一个功能强大且广泛应用的水动力学模型软件。
它具有高度的可扩展性和灵活性，能够满足不同领域用户的需求。
通过使
用MIKE21，用户可以模拟和预测水动力学过程，为工程设计和环境管理
提供重要的决策支持。
Mike21波浪泥沙培训教程
训教程•波浪理论基础知识•泥沙运动基本规律•Mike21软件介绍及操作指南•波浪泥沙数学模型原理及应用•Mike21在波浪泥沙模拟中的实践操作•总结与展望波浪理论基础知识波浪基本概念与分类波浪定义海洋表面由于风力作用而产生的起伏波动现象。
波浪分类按成因可分为风浪、涌浪和近岸浪；按波面形状可分为正弦波和畸形波；按周期可分为长波、中波和短波。
波浪要素及表示方法波浪要素包括波峰、波谷、波长、波高、波速、波周期等。
表示方法通常采用波高、波长和波周期三个要素来描述一个波浪。
其中，波高指相邻波峰和波谷的垂直距离；波长指相邻两波峰或两波谷间的水平距离；波周期指波浪起伏一次所需的时间。
波浪传播特性与影响因素传播特性波浪在传播过程中，受到水深、地形、障碍物等多种因素的影响，会发生折射、反射、绕射和破碎等现象。
影响因素主要包括风力、风向、风时、风区长度、水深、地形地貌、潮汐潮流等。
其中，风是波浪生成和发展的主要动力；水深和地形地貌则影响波浪的传播和变形；潮汐潮流则可引起波浪的增减和变化。
泥沙运动基本规律泥沙颗粒的大小、形状和密度等物理特性泥沙的分类方法和分类标准不同类型泥沙的运动特性差异泥沙颗粒特性与分类泥沙输移的方式和输移量计算方法泥沙沉积的过程和沉积物性质变化规律泥沙起动的力学机制和起动条件泥沙起动、输移和沉积过程泥沙运动影响因素分析水流条件对泥沙运动的影响波浪作用对泥沙运动的影响其他环境因素（如风、温度、盐度等）对泥沙运动的影响Mike21软件介绍及操作指南Mike21软件概述与功能特点强大的数值模拟能力Mike21是一款专业的水动力和环境模拟软件，具备强大的数值模拟能力，可广泛应用于河流、湖泊、水库、近海等水域的模拟分析。
丰富的模型库软件内置了多种水动力、水质、生态和泥沙输运模型，用户可根据实际需求选择合适的模型进行模拟分析。
高度集成化Mike21实现了前后处理、数值模拟和可视化等功能的集成化，用户可在统一的界面中完成整个模拟过程。
MIKE21建模流程
MIKE21建模流程MIKE21是一种用于水力运动和波浪传播建模的软件工具。
它是由丹麦Hydraulic and Coastal Engineering Lab开发的，专门为河流、湖泊、港口等水体动力学研究而设计的。
MIKE21建模流程是利用该软件进行水动力学建模的一般流程，下面将对其进行详细说明。
1.数据准备：在开始建模之前，需要收集和整理相关的输入数据。
这包括地形数据、温度和盐度数据、气象数据等。
地形数据主要包括DEM（数字高程模型）和水深图，可使用测量数据或卫星数据。
温度和盐度数据主要用于模拟咸淡水交互作用。
气象数据包括风速、风向、气温、降水等。
2.基础设置：在MIKE21中，需要进行一些基础设置，以确定建模的范围和边界条件。
范围确定主要包括水体的外围边界，如河流的上游、下游边界；边界条件则是确定水动力学模型中的输入条件，如流量、水位、风速等。
3.网格划分：MIKE21建模过程中需要将水域划分为多个小区域，即建模网格，以便进行计算。
网格的划分可以选择矩形网格、三角形网格或均衡网格等，根据需要选择合适的网格类型。
网格越细，模拟结果越精确，但计算量也会增加。
4.边界条件设置：根据建模范围和边界条件，在MIKE21中设置相应的边界条件。
这些边界条件包括水位、流速、盐度、温度和波浪等。
这些数据可根据实测数据、历史数据或模型计算结果进行设定。
5.水动力计算：在MIKE21中进行水动力计算，根据初始条件和边界条件，进行模拟计算得到水位、流速等结果。
MIKE21使用数值方法来求解水动力方程，考虑各种物理现象如惯性、湍流、底摩擦等。
6.结果分析：计算完成后，可以通过MIKE21中的可视化工具对计算结果进行分析。
可以绘制水位、流速等等物理量的时空变化图，帮助理解水体动力学的变化规律。
7.模型验证：在完成模型计算后需要对计算结果进行验证。
可以通过与实测数据进行对比，评估模型的准确性和可靠性。
如果模型与实测数据吻合较好，可以认为模型可信。
mike21泥沙理论
Dshear = 0.404
u*h
κ3
Dshear = 9.1u * h
– Yotsukura & Fierinr (1964) 平滑的渠道: Dshear = 13u * h – Thackston (1966) :
Dshear = 7.25(u / u*)1/ 4 u * h
关键点:
– 1.剪切影响在河口海岸是最有效的 影响在河口海岸是最有效的; 影响在河口海岸是最有效的 – 2.相对于先于模拟的紊流混合系数来说，估算剪切扩散系数是重要的 相对于先于模拟的紊流混合系数来说， 相对于先于模拟的紊流混合系数来说 估算剪切扩散系数是重要的; – 3.当一些稳定的因素出现在垂面上时，剪切扩散被加强: 对于查理孙数在 当一些稳定的因素出现在垂面上时，剪切扩散被加强 当一些稳定的因素出现在垂面上时 05-1时影响变得大 时影响变得大
MIKE-21/3 FM Transport Module: Theoretical Background
– 2. Vertical shear:
• Turbulent mixing in the longitudinal direction dominated by ’shear dispersion’. See Taylor (1954); Jirka (2005)
– 2.垂直剪切:
• 纵向的湍流混合受控 ’剪切扩散’. 参看 泰勒 (1954); Jirka (2005)
垂向的扩散溶解
浓度分布沿剪切面展开
MIKE-21/3 FM 传输模型: 理论背景
垂直剪切间接的包涵在3维模型中. 但是把它合并到二维模型中是困难的. 通常的解决方法: 用近似法和比较湍流扩散与分子扩散系数的方法 计算 ’剪切粘性系数’. Elder (1959):
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
泥沙输运模型 in MIKE-21/3 FM
FM 培训课程 上海, 2007年3月 Oliver Jones & Niels Hvam Pedersen
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
• MIKE-21/3 FM 泥沙输运
• 部分耦合的FM模型解决了泥沙平衡方程：
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
对单一水流和混合波浪流来说，两种算法得出泥沙输运矢量。 单一水流：平衡和非平衡方法
推移质 - Engelund & Hansen - Van Rijn - Engelund & Fredsøe - Meyer Peter & Muller
悬移质 - Engelund & Hansen - Van Rijn - Engelund & Fredsøe
推移质采用Engelund和 Fredsøe (1976) 算法（根据 Shields参数） 悬移质采用Fredsøe (1985) 算法（使用瞬时流速和浓度分布 图）
悬移质:
ห้องสมุดไป่ตู้
∂c ∂c ∂ ∂c = ws + ν T ∂t ∂z ∂z ∂z
D
qs =
∫ U ( z , t ) c ( z , t ) dz
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
组合波浪流
要求预先指定 泥沙输运表格
关键点:输运表格采 关键点 输运表格采 用不同的模型引擎 计算: 计算 STPQ3…
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
实现流程 HD 模块
关闭连接
SW 模块
立即连接
来自于ST表格 来自于 表格 的输运率的增补
为了形成上述过程，我们要求靠近河床处高的分辨率： 这在sigma层模型中不现实。 结论是。。。
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
使用STPQ3模型：
– 一维垂向边界层模型； – 指定波浪，水流的范围和水深值后，使用耦合的Fredsøe (1984) 动量方法计算边界层动力学； – 模型计算螺旋速度＋河床剪应力，从而形成泥沙输运算法； – 关键点：实现了波内部的波浪－水流边界层动力学 – 优势：在不采用参数化法前提下全边界层描述。 – 结论可视窗口显示； – 根据HD/SW模拟进程表格，接下来内差输运率。
2 d 50
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
简述: 简述
1. 单一水流或组合波浪流公式可用： 2. 单一水流 • 平衡或非平衡方法; 3. 组合波浪流: • 仅仅采用平衡法; • 解决了阶段变化的湍流－－对泥沙挟带来说很重要； • 解决了峰槽和顶部旋转流速的不一致； • 直接解决了波浪流动和明显的粗糙
考虑河床坡度和涡的影响
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
组合波和水流 水流中波的影响
– 增大了河床剪应力，从而改变了河床糙率以及影响了潮汐流速； – 因为底部波浪破碎和能量耗散的原因，生成更多的湍流； – A net mass flux in the direction of wave propagation (Stokes Drift), which can often be complicated by return flows;在波浪传播方向净质量通量（斯托克斯漂移）， 且经常受回流的影响；（病句） – 由于碎波区的波耗散（基于辐射应力梯度），形成沿岸水流； – 基于下游动量通量原理，在波浪边界层的波浪流动
∂S x ∂S y ∂z − + =0 ∂tmor ∂x ∂y
• z is the bed level (positive downward), Sx and Sy the
components of the tide-averaged sediment transport vector, and tmor the time; the subscript refers to the fact that the time scale of bottom changes is generally much larger than the tidal period. Z是河底高 程（正向向下）， Sx 和 Sy 是平均潮汐泥沙输运矢量因子， tmor 是时间；下标指底部变化的时间正逐渐变大（难句）。
河床更新
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
典型输运表格:
一般参数
根据水流和波浪 范围，水深和河 底坡度值得出的 计算结果
计算输运率
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
采用非线性波浪理论得出的旋波速度
MIKE-21/3 FM 泥沙输运模块: 理论背景
泥沙输运算法
qT = qb + qs