构建: Jan Jacobson
威斯康星大学麦迪逊分校
土木与环境工程
摘要:
一受风之波设置和流通模式的分析是开展与该RMA2包的SMS软件提供的数值模拟。图形描绘中提供相关的变化风向风速为一个给定的水表面特性的变化。虽然这是该项目的RMA2方法也将讨论的重点。
简介:
环流模式和风力引起的水体已安装了一段时间的阴谋东西在流体力学的世界。数值模型最近已实施，以帮助科学家和工程师更好地理解这些进程。RMA2就是这样一个模型，它是一个二维水深平均水动力有限元数值模型。它计算为亚临界，在二维流场的自由表面流动的水面高程和水平速度分量。在水平面利用水面高程，深度，和二维它的计算速度的天然环境，更清晰的图片可以达到的。从现有的沿海结构的分析评价这些类型的实用属性延伸跟踪极其敏感的，不溶于水污染物运输。地表水建模系统（SMS）提供预先对于像RMA2模型和后处理。
动机:
之间的流通模式的两个问题，风致设置，最显着的风暴潮，外推，可向最水质和沿岸工程问题。例如，确定安装的风致幅度沿海结构设计至关重要。这是类似于基础高层建筑设计的重要性，与有关的风暴潮和海浪这栋建筑的基础。很多时候，公众认为，在沿海地区的环境破坏机理是波浪，但在现实中，特别是在沿海地区海洋，风暴潮是主要的罪魁祸首。简单地说，确保一个稳定的沿海地区需要了解安装风致。
需要了解的流通模式的一些主要问题包括：保留时间计算和污染物运移。保留时间是松散的定义随着时间的水粒子在蓄水花费。但是，这种计算往往是外推到时间的污染物颗粒在水体花费时间。这通常是一个这么理解的循环可能导致跟踪到了污染物的数值模式的保留时间与保守的估计。这反过来，可能有助于避免在特定项目的设计。
运输量化的污染物是，在许多方面，更复杂的问题，但它是一个简单的问题概念化。科学家和工程师们只是想找出一个什么样的水体区域更有可能看到的污染物浓度较高。高浓度的时候，这些地区往往只是由于该系统的物理和地表水的循环模式可以有一个非常重要的贡献，系统的特点。
目标:
这个项目的目的是观察在风能和流域特征的变化既影响水体的风致的设置和流通模式。
方法:
RMA2计算出的湍流流动的Navier- Stokes方程有限元解雷诺形式。摩擦是计算了曼宁的或谢才方程，涡粘性系数是用来定义湍流特性。这两种稳定和不稳定状态的问题进行分析。要做到这一点，该模型解决了流体的质量和动量守恒在两个水平方向的深度集成方程。质量守恒定律被认为是方程1，动量守恒方程是2和3所示。
(1) 
(2)
(3)
表1：在等式的关键条款1到3
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x, y |
直角方向 |
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u, v |
速度在x和y方向分别
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h
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水深 |
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a
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底标高
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E
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涡粘性系数
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n
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曼宁粗糙系数
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Va
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风速 |
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y
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风向
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w
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地球的自转
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风切变系数
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F
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当地纬度
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在表1中看到的因素看，很明显，这个模型认为，由于科氏力的设置（瓦特，女）也，但对于较小的内陆湖泊的主要动力是风。有限元方法解决了质量和动量方程采用伽辽金加权残值法。该解决方案是完全隐和方程组求解的牛顿迭代同时非线性迭代。为了更好地说明了这个迭代法的二次函数可能需要在图1所示。这个想法是要找到接近尽可能根向方程的解。
在X轴，X1是在初始猜测值，这将产生最佳的解决方案。与X1的解决方案是点标有“初步方案“。一条线（切线1）这是相切曲线在这一点上计算。这条线的地方穿过X轴变成X2的，第二个猜测来解决问题。一个新的解决方案的计算是由X2和另一切线（切线2）计算。的地步，这切线穿越X轴成为下一个猜测，X3的。依此类推，直到沿X轴值差异接连两个解决方案，变得比预先定义的收敛准则少。在这一点上，该解决方案已经收敛。
图1：迭代从RMA2文献探讨。
地表水建模系统（SMS）被选为达到上述目标。该软件提供了预地表水建模和分析，后处理。它包括两个三维有限元，二维有限差分，三维有限元和一维回水建模工具。它提供的接口，以方便专门设计的几个数值模式的利用率。 SMS可以发展概况和断面图，二维向量图，锥管图，阴影色从套解决方案由RMA2生产等高线图，时变曲线图和动态的动画序列。
一旦重点车型这些最基本的概念化已经缝，一般的角度来理解的风致的设置和流通模式的表现必须得到发展。为此，建立一种合成湖。拉里湖创建为一个统一的矩形尺寸深度盆地。虽然它很容易想象中可能会出现图2。
图2：湖拉里尺寸和风向用于建模过程。所有的角度都参考正x方向。
读者可能会被询问如何像这样的盆地所能应用到实际的天然水体。在这个过程中吸取的原则教训之一是，在试图利用数值模式，用户必须了解模型的方式处理问题最基本的。因此，湖拉里分析指在充分了解RMA2第一步。
除了在图中所示的尺寸等关键参数是曼宁n值0.03和涡粘性系数为25。虽然，很明显，一涡系数的实施是没有必要在这里这样做是为留在SMS文档中找到的例子是一致的。
为了继续边界条件，有必要确定。为了保持稳定，这些都是表面积水设置为5源源不断的中心在东，西两端的湖泊。北部和南部边界无流量。一旦静止水面已经确立，新风，并引入该系统。五，分析了不同风向，风速，同时保持不变，研究不断变化的风向唯一的影响。这些指示可以看出，在图2。从RMA2计算，然后验证安装在吴教授的海岸工程课堂上所学的分析技术。选择的方法是非线性的风暴潮技术。方程和相关组件可以看出，在方程式4。
(4) 
当:
表2：表描述方程4个学期。
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d
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水深 |
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rw
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水的密度 |
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ts
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表面由于风切变应力
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g
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重力
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Dx
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距离超过该湿风吹
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U10
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风速 |
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Cd
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1.21E-6 if U10 小于
5.6 m/s
E-6
if U10 大于 5.6
m/s |
结果:
以下是拉里湖计划的意见。每个视图都代表一个不同的风向，同时保持50英里的风速。每个图中的箭头所建立的一个二维速度向量场格表示。编码的轮廓信息的颜色代表水面高程。请忽略上游流入（40000）和下游头（20）的数字显示。他们是没有意义的，而并非是实际模型模拟真实的边界条件。
表3：预计设置特定风向以及非直线法计算
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风向（°从正x轴立方厘米） |
预计设置（英尺） |
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0 |
0.648 |
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45 |
0.372 |
|
90 |
0.264 |
|
180 |
0.648 |
|
225 |
0.372 |
风向等于0的正x轴°：
风向等于45，从正x轴°：
风向等于90，从正x轴°：
风向等于180从正x轴°：
风向等于225正x轴°：
讨论:
经过观察模拟等高线绘制的RMA2这似乎很合理，以确定该模型可以预测风致设置。对于风向所有的结果相当接近的是什么计算与分析技术。看来，虽然，表面的高程形状休息可能是不准确的。这是尤其如此，当风向违反了模型的流动方向感知的。在这项研究中的上游和下游流量分别为5中心，基本上可以忽略不计的流动量。这被认为提供了一个停滞的情况，即从完全相反的方向将产生相同的设置相同幅度风。这可以完成，但是从风的起源地表水岸边高地猥亵小。就像在180°和225 °风向模拟这些值-8.5和-2。发现了这个，基本上相同风向之前必须安装的风致准确地表示理解不平等的原因，可以推测处理。
在结果中显示的数字部分的真正价值是设置分析。虽然观测流通模式是一个非常有用的工具，一个短暂的（多时间步）的解决方案较稳定状态在这里显示适当的解决方案。同样，这项研究代表了第一步，一个稳定状态前必须先了解的情况是从事不稳定。
在理解的基础理念也促进了湖拉里的设计，但更合适的概念将被建造，而不是一个盆地的通道。这将允许有更多的教育循环输出。在当前的盆地，它几乎是不可能得到一个模型分析如何因盆地本身的反射特性流通的清晰画面。
除了这些问题，因为RMA2只是一个二维模型，它并没有能力来模拟水体分层的影响。温度湖泊分层导致身体本身的内部密度差。这些差异导致垂直环流模式，并促使这些垂直模式在水平面随后的循环。第三个维度RMA2并不认为是垂直的。
最后，我并不觉得短信提供了一个简单的接口，其中RMA2都可以使用。 RMA2有用的工具很多都不是容易在短信界面可用，需要手动输入使用的编程卡的文本文件表示。虽然前和后处理工具是非常不错的SMS中，如果用户不容易接触到它的房子这些处理技术是没有用的数字模型更实用的功能。我也觉得通过短信提供的文献是可怕的不足。如果计划使用软件，我会强烈建议采取短期课程或入门与建模经验的人事先短信参与。
未来的目标:
正如在上一节指出，这项研究是第一步。有趣的是，接下来的几个步骤将是几乎一样当前基础。接下来的分析将在评估不断变化为这项研究使用的风向风速的设置和流通。当这些情况的细微差别被理解盆地粗糙度的各种变化将被应用。最后，我将能够研究海底地形复杂的盆地。
在日益复杂所采取的步骤是在努力，最终开发出湖Kegonsa，WI的可靠和良好的典范。此湖是麦迪逊链，这是由美联储亚赫勒河最南端的湖泊。这个盆子是我的兴趣，因为它有一个非常重要的营养物质污染问题，我长大了就可以了再现。既是空中照片和测深图中可以看到的数字？？？？和????.在这种情况下，我会更感兴趣的流通模式，试图更好地量化保留作为难溶性磷集团等事情上。通常，在这样的农业湖泊的主要罪魁祸首是水溶性杂质，但在自然系统理解的循环模式将被证明是非常有用的在我的职业生涯。我期待着在我的数值模式的知识拓展，风致设置和流通模式。
图3：湖Kegonsa，WI的航空照片
图4：随着深度的水文地图湖Kegonsa，威斯康星米
参考文献:
Boss International.
Surfacewater Modeling System (SMS) Overview
Guide. www.bossintl.com.
Boss International.
Surfacewater Modeling System (SMS) Tutorial.
www.bossintl.com.
Chow, Ven Te. Open
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Hahn, C.T., Barfield,
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Kamphuis, William J.,
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RMA and WES, User Guide
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Hoopes, Dr. John.
University of Wisconsin-Madison Department of
Civil and Environmental Engineering.
Wu, Dr. H. Chin.
University of Wisconsin-Madison Department of
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http://limnology.wisc.edu/
