專題一feflow簡介

2021-03-04 02:52:37 字數 2423 閱讀 2655

專題一對示例模型的描述

feflow(finite element subsu***ce flow system)是由德國水資源規劃與系統研究所(wasy)開發出來的地下水流動及物質遷移模擬軟體系統。 該軟體提供圖形人機對話功能、具備地理資訊系統資料介面、能夠自動產生空間各種有限單元網、具有空間引數區域化、快速精確的數值演算法和先進的圖形視覺化技術等特點。在feflow系統中,使用者可以方便快速地產生空間有限元網格,設定模型引數和定義邊界條件,執行數值模擬以及實時圖形顯示結果與成圖。

軟體自問世以來,在理論研究和實際問題的處理上,經過了不斷的發展、修改、擴充、提高,日趨完善。

● 模擬地下水區域流場及其他地下水資源規劃和管理方案;

● 模擬礦區露天開採或地下水開採對區域地下水的影響及其最優對策方案;

● 模擬由於近海岸區抽取地下水或者礦區抽排地下水引起的海水或深部鹽水入侵問題;

● 模擬非飽和帶以及飽和帶地下水流及其溫度分布問題;

● 模擬汙染物在地下水中遷移過程及其時間空間分布規律(可用於分析和評價工業汙染物及城市廢物堆放對地下水資源和生態環境的影響, 研究最優治理方案和對策);

● 結合降雨-徑流模型進行模擬「降雨-徑流-地下水」的系統問題(可用於研究水資源合理利用、管理以及生態環境保護方案等)。

● 通過標準資料輸入介面,使用者既可以直接利用已有的gis空間多邊型資料生成有限單元網格,還可以基於地圖用滑鼠進行設計,能夠自定義網格的數目,方便地調整網格的幾何形狀,增加和減小網格的寬度;

● 在建立水流場和遷移模型時,使用者不僅能夠根據具體情況定義第

一、第二和第三類邊界,而且可以對邊界條件增加特定的限制,以避免不合理的數值解;

● 能夠直接定義多含水層中的分層開採井和混合開採井,以及注水井;

● 所有邊界及附加條件既可設定為常數,也能定義為隨時間變化的函式;

● 已知的邊界及模型引數可以按點,線或面的形式直接輸入,也可以呼叫已有的空間資料。對離散的空間抽樣資料進行內插或外推(資料區域化),feflow提供克里金法(kriging),阿基瑪(akima)、距離反比加權法(idw)和id線性插值法(liner id interpolation);

● 輸入資料格式既可以是ascii碼檔案,也可以是gis地理資訊系統檔案。feflow還支援點、線、面的廣義資料格式,dxf 格式,tiff圖形以及 hpgl資料格式。

● 建立三維空間模型、二維平面、二維剖面或者軸對稱二維模型;

● 模擬非穩定流或穩定流;

● 模擬多層自由表面含水系,包括滯水 (perched water)模擬;

● 模擬化學物質遷移及熱轉遞,包括溫度鹽份 (thermohaline)遷移模擬;

● 模擬可變密度流場(鹽水或海水入侵問題);

● 模擬非飽和帶流場及物質遷。

feflow採用有限單元法,並配備若干先進的數值求解法來控制和優化求解過程:

● 快速直接求解法,如pcg,bicgstab,cgs,gmres以及帶預處理的再啟動 orthomin法;

● 靈活多變的up-wind技術,如流線up-wind、奇值捕捉法(shock capturing)以減少數值瀰散;

● 皮卡和牛頓迭代法求解非線性流場問題,自動調節模擬時間步長;

● 模擬汙染物遷移過程包括對流、水動力瀰散、線性及非線性吸附、一階化學非平衡反應;

● 為非飽和帶模擬提供了多種引數模型如指數式,van genuchten式和多種形式的richard 方程;

● 垂向滑動網格(basd)技術處理自由表面含水系以及非飽和帶模擬問題;

● 適應流場變化強弱的有限單元自動加密和放疏技術,以獲得最佳數值解;

● 實時圖形顯示模擬非穩定流過程中觀測點水頭和汙染物濃度的動態變化值;

● 非穩定流模擬計算可以隨時暫停,以便使用者顯示和分析中間模擬結果;

● 開放性外部程式介面,以便使用者在feflow系統中連線和使用自己的程式模組。

feflow的計算結果既有水位、汙染物濃度及溫度等標量資料,也包括流速、流線和流徑線等向量資料。模型引數和計算結果既能按 ascii碼檔案、gis地理資訊系統檔案、dxf或hpgl檔案輸出,又能在feflow系統中直接顯示和成圖。feflow提供了其他任何地下水模擬軟體都無法比擬的、豐富實用的圖形顯示和資料結果分析工具。

其先進的圖形視覺化及資料分析技術表現在:

● 有限單元網格、邊界條件和模型引數的三維視覺化及顯示;

● 標量資料的三維彩色(透明或灰度)等勢面顯示以及其二維平面彩色或等值線顯示;

● 三維地下水流徑追蹤、流動時間及流速動畫顯示(包括其二維平,剖面投影或二維平面追蹤);

● 三維體截段的空間顯示和三維交叉剖面組的空間顯示;

● 三維圖形的任意旋轉,二維、三維圖形的放大或縮小;

● 總體和區域性水量平衡分析(包括任意幾何多邊型內的水流通量分析);

● 計算和圖形顯示通過各種邊界條件的水通量、物質通量以及其在特定時間區間內的積分量;

● 借助feflow提供的xplot或feplot程式模組可以直接設計和列印各種成果圖件。

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