第一章模型介绍 (1)
1.1 简介 (1)
1.2 MIKE 21软件特点 (1)
1.3 水动力模块原理 (2)
1.3.1 控制方程 (2)
1.3.2 数值解法 (3)
第二章模型构建 (6)
2.1 基础数据 (6)
2.2 建模步骤 (7)
第三章MESH文件生成 (8)
3.1 MESH文件生成步骤 (8)
3.2常用数据格式 (17)
3.3局部加密 (18)
3.4北京54坐标投影选择 (22)
第四章模型文件 (23)
4.1 基本参数设置 (23)
4.1.1 模型范围（Domain） (23)
4.1.2 时间设置(Time) (26)
4.1.3 模块选择（Module selection） (27)
4.2水动力模块（Hydrodynamic Module） (28)
4.2.1 求解格式（Solution technique） (28)
4.2.2 干湿边界(Flood and dry) (29)
4.2.3 密度（Density） (31)
4.2.4 涡粘系数（Eddy Viscosity） (31)
4.2.5底摩擦力（Bed Resistance） (35)
4.2.6 科氏力(Coriolis Force) (36)
4.2.7风场(Wind Forcing) (36)
注意: (37)
4.2.8冰盖(Ice coverage) (39)
4.2.9引潮势（Tidal Potential） (40)
4.2.10降水-蒸发（Precipitation-Evaporation） (41)
4.2.11波浪辐射应力(Wave Radiation) (42)
4.2.12源(Sources) (43)
4.2.13水工结构物（Structures） (45)
4.2.14初始条件(Initial Conditions) (60)
4.2.15边界条件(Boundary Conditions) (61)
4.2.16温度/盐度模块(Temperature/Salinity Module) (67)
4.2.17湍流模块(Turbulence Module) (67)
4.2.18解耦(Decoupling) (67)
4.2.19输出(Outputs) (68)
第一章模型介绍
1.1 简介
MIKE 21是一个专业的工程软件包，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。MIKE 21为工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。高级图形用户界面与高效的计算引擎的结合使得MIKE21在世界范围内成为了一个水流模拟专业技术人员不可缺少的工具。
丹麦水力研究所开发的平面二维数学模型MIKE 21，曾经在丹麦、埃及、澳洲、泰国及中国、等国家和地区得到成功应用，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能。目前该软件在中国的应用发展很快，并在一些大型工程中广泛应用，如：长江口综合治理工程、杭州湾数值模拟、南水北调工程、重庆市城市排污评价、太湖富营养模型、新机场工程建设等。
1.2 MIKE 21软件特点
（1）用户界面友好，属于集成的Windows图形界面；
（2）具有强大的前、后处理功能。在前处理方面，能根据地形资料进行计算网格的划分；在后处理方面具有强大的分析功能，如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；
（3）多种计算网格、模块及许可选择确保用户根据自身需求来选择模型；
（4）可以进行热启动，当用户因各种原因需暂时中断MIKE21模型时，只要在上次计算时设置了热启动文件，再次开始计算时将热启动文件调入便可继续计算，极大地方便了计算时间有的用户；
（5）能进行干、湿节点和干、湿单元的设置，能较方便地进行滩地水流的模拟；
（6）具有功能强大的卡片设置功能，可以进行多种控制性结构的设置，如桥墩、堰、闸、涵洞等；
（7）可广泛地应用于二维水力学现象的研究，潮汐、水流，风暴潮，传热、盐流，水质，波浪紊动，湖震，防浪堤布置，船运，泥沙侵蚀、输移和沉积等，
被推荐为河流、湖泊、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。
1.3 水动力模块原理
1.3.1 控制方程
模型是基于三向不可压缩和Reynolds 值均布的Navier-Stokes 方程，并服从于Boussinesq 假定和静水压力的假定。
二维非恒定浅水方程组为：
hS y
v h x u h t h =++ （1-1） ()()202000012a xy sx bx xx xx xy s p hu hu huv h f vh gh t x y x x
s s gh x x y
hT hT hu S x y
h r t t r r r r r ++=---+--++?÷è++ （1-2） （1-3）
式中：t 为时间；, x y 为笛卡尔坐标系坐标；h 为水位；d 为静止水深；h d h =+为总水深；, u v 分别为, x y 方向上的速度分量；f 是哥氏力系数，2sin f w j =，w 为地球自转角速度，j 为当地纬度；g 为重力加速度；r 为水的密度；xx s 、xy s 、yy s 分别为辐射应力分量；S 为源项；(,)s s u v 为源项水流流速。 字母上带横杠的是平均值。例如，u 、v 为沿水深平均的流速，由以下公式定义：
d d hu u z h -=ò，d d hv v z h
-=ò （1-4） ()()S hv hT y hT x y s x s y gh y
p h y gh h u f y v h x uv h t v h s yy xy yy yx by sy a +++÷÷?
è+--+----=++000020212r r t r t r r r h
ij T 为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量是根据
沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出的：
2xx u T A x
=?，(xy u v T A y x =+，2yy v T A y ?=? （1-5） 1.3.2 数值解法
（1）空间离散
计算区域的空间离散是用有限体积法（Finite V olume Method ），将该连续统一体细分为不重叠的单元，单元可以是任意形状的多边形，但在这里只考虑三角形和四边形单元。在MIKE 软件2007版本只能是三角形网格。
浅水方程组的通用形式一般可以写成
()()t
+?×=?U F U S U （1-6） 式中：U 为守恒型物理向量；F 为通量向量；S 为源项。
在笛卡尔坐标系中，二维浅水方程组可以写为
()()I V I V y y x x t x y
-?-?++=F F F F U S （1-7） 式中：上标I 和V 分别为无粘性的和粘性的通量。各项分别如下：
h hu hv éùêú=êúêúU ，()22212I x hu hu g h d huv éùêúêú=+-êúêúêúF ，02V x u hA x u v hA y x éùêúêúêúêú=?÷êú?è?êúêú+?÷êúè
F ()22212I y hv huv hv g h d éùêúêú=êúêú+-êúF ，02V x u v hA y x v hA x éùêúêúêúêú=+?÷êúè?êúêú÷êú?è
F （1-8）
2000002000000
1212xy a xx sx bx s yx yy sy by a s s p s d h gh g f vh hu x x y x y s s p d h
gh g f uh hv y y y x y t t r h r r r r r t t r h r r r r r éùêúêúêúêú=+---++-+?÷êúè?êúêú+---++-+?÷êúè
S 对方程（4-6）第i 个单元积分，并运用Gauss 原理重写可得出
()()d d d i i i A A s t G ?+×=?òòòU ΩF n S U Ω （1-9）
式中：i A 为单元i W 的面积；i G 为单元的边界；d s 为沿着边界的积分变量。这里使用单点求积法来计算面积的积分，该求积点位于单元的质点，同时使用中点求积法来计算边界积分，方程（4-9）可以写为
1NS i j i j i U S t A ?+×DG =F n （1-10）
式中：i U 和i S 分别为第i 个单元的U 和S 的平均值，并位于单元中心；NS 是单元的边界数；j DG 为第j 个单元的长度。
一阶解法和二阶解法都可以用于空间离散求解。对于二维的情况，近似的Riemann 解法可以用来计算单元界面的对流流动。使用Roe 方法时，界面左边的和右边的相关变量需要估计取值。二阶方法中，空间准确度可以通过使用线性梯度重构的技术来获得。而平均梯度可以用由Jawahar 和Kamath 于2000年提出的方法来估计，为了避免数值振荡，模型使用了二阶TVD 格式。
（2）时间积分
考虑方程的一般形式
()t
=?U G U （1-11） 对于二维模拟，浅水方程的求解有两种方法：一种是低阶方法，另一种是高阶方法。低价方法即低阶显式的Euler 方法
)(1n n n t U G U U D +=+ （1-12）
式中：t D 为时间步长。高阶的方法为以如下形式的使用了二阶的Runge Kutta
方法
1/21()2
n n n t +=+D U U G U 11/2()n n n t ++=+D U U G U （1-13）
（3）边界条件
1）闭合边界
沿着闭合边界（陆地边界），所有垂直于边界流动的变量必须为0。对于动量方程，可以得知沿着陆地边界是完全平稳的。
2）开边界
开边界条件可以指定为流量过程或者是水位过程。
3）干湿边界
处理动边界问题（干湿边界）的方法是基于赵棣华（1994）和Sleigh （1998）的处理方式。当深度较小时，该问题可以被重新表述，通过将动量通量设置为零以及只考虑质量通量来实现。只有当深度足够小时，计算不考虑该网格单元。
每个单元的水深会被监测，并且单元会被定义为干、半干湿和湿。单元面也会被监测，以确定淹没边界。
满足下面两个条件单元边界被定义为淹没边界：首先单元的一边水深必须小于dry h ，且另一边水深必须大于flood h ；第二，水深小于dry h 的单元的静水深加上
另一单元表面高程水位必须大于零。
满足下面两个条件单元会被定义为干单元：首先单元中的水深必须小于干水深dry h ；另外，该单元的三个边界中没有一个是淹没边界。被定义为干的单元在
计算中会被忽略不计。
单元被定义为半干：如果单元水深介于dry h 和flood h 之间，或是当水深小于dry h 但有一个边界是淹没边界。此时动量通量被设定为0，只有质量通量会被计算。
单元会被定义为湿：如果单元水深大于wet h 。此时动量通量和质量通量都会在计算中被考虑。
如果模型中的区域是处在干湿边交替区，为了避免模型计算出现不稳定性，使用者可以启用Flood and Dry 选项。在这个情形下使用者必须设定一个干水深
（drying depth ），淹没深度（flooding water depth ）和湿水深（wetting depth ）。
dry h 、flood h 、wet h 三者必须满足dry flood wet h h h <<。
应注意的是，对于值很小的wet h ，在模拟过程中可能出现不符合实际的高流速，并引起稳定问题。
当某一单元的水深小于湿水深时，在此单元上的水流计算会被相应调整，而当水深小于干深度的时候，会被冻结而不参与计算。淹没深度是用来检测网格单元是不是己经被淹没。当水深小于湿水深的单元会做相应调整，即不计算动量方程，经计算连续方程。
在没有启用干湿边界的情况下，使用者可以设定一个小于零的最小截断水深。但在这样的情况下，模型中任一网格单元的总水深小于零，模型便会发散，模型计算也会因此中断。
第二章 模型构建
2.1 基础数据
构建二维水动力模型需要的基础数据主要包括：
（1）地形数据
地形数据主要是指计算范围内地形地貌，这些数据可以是DEM ，电子海图，CAD 图等，但都需要前期处理才能应用于MIKE21中。
（2）水文数据
水文数据包括降雨数据、上下游边界数据（流量，水位）。
（3）糙率
糙率是一个结果影响比较大的参数，如果没有实测糙率，则需要根据历史水文数据，对结果进行率定，进而确定糙率。
（4）其它
主要包括波浪、风以及潮位等数据资料
2.2 建模步骤
第一步准备地形数据，水文数据等，确定计算范围。
第二步用MIKE Zero当中Mesh Generator生成mesh文件。（具体步骤见第三章）
第三步建立时间序列文件用作边界条件。
第四步在MIKE21中选择Flow Model(fm)生成模拟文件。（模拟文件中各选项详细说明见水动力模块教程）
第五步结果后处理。
第三章MESH文件生成3.1 MESH文件生成步骤
第一步在MIKE Zero中选择Mesh Generator。
第二步选择投影带
选择投影带主要用来计算地球自转引起的科氏力，当计算区域较小可以不考虑科氏力，此时可选择NON-UTM。国内常用的北京54及西安80均已经内置，用户直接选择即可。
第三步设置模拟区域
根据实际计算范围，设置工作范围。依次打开Options→ Workspace打开相应界面进行设置。这一步需要指定计算区域左下角和右上角坐标。
第四步导入背景图片
（1）导入背景图片之前，需要将背景图片左下角和右上角在工作范围内的坐标。这一步可以用Tool中设置（如左图，MIKE2009之前版本没有此功能），也可以直接在图片所在文件夹中放置一个与图片同名的属性文件，用文本编辑器编辑里面的数据。更为简单的方法是在（2）步中导入图片后，点击旁边的edit
来设置。
（2）完成以上设置后，通过Options → Import Graphic Layers .点击下图箭头处的图标，新建一个背景图片。
（3）导入后，点击工具栏中缩小按钮，可以显示图片。
当不需要显示图片时，可在第（2）步中界面，选择Overlay Manager （见下图）,去掉图片前的对号，即可隐藏图片。
导入
新建
边界可以在底图上描绘，也可以直接导入数据确定边界。
界描绘完成后，可能由于底图的原因，无法看到描绘的边界，此时可以按照第四
步（3）中方法隐藏图片。
Vertices,选择适当的距离对Vertices进行均匀化处理。
第六步定义边界
（1） 将需要定义为开办界的线段两端的vertice(图中显示为红色的点)转换为
node（图中显示为蓝色的点）。用工具选择vertice，右击选择Vertices→Nodes
（2） 转换后，用select arc选择该边界，右击选择property，将表中数字改为大于0的数字，即可将该线段定义为开办界。
第七步导入地形数据
依次打开Data→Import Scatter Data打开相应界面，点击Add可导入后缀为.xyz的地形文件。地形文件中数据依次为X，Y，Z坐标，可事先制作好。
第八步生成网格
（1）在导入地形数据后，依次点击Mesh→Generate Mesh 打开网格设置界面，可以设置网格最大面积等相应参数。参数设置完后，点击Generate可生成网格。
（2）点击Mesh→Smooth Mesh可对网格进行平滑处理。
第九步地形插值
点击Mesh→Interpolate，对地形进行插值，保证每一个网格都有地形数据。
第十步导出mesh
点击Mesh→Export mesh，输出mesh文件，供模型文件使用。注意文件名及路径中尽量不要有中文。下载本文
