【EDF开源CAE】使用TELEMAC-MASCARET研究德国蒙斯特洛科湖的热分层现象

TELEMAC-MASCARET是法国电力集团（EDF）的法国国立水利与环境实验室开发的一款研究水动力学和水文学领域的高性能数值仿真开源软件。基于有限元法，使用不规则三角网格，让复杂的海岸线和河口的描绘更为精确。该软件可以构建1D，2D和3D水动力学模型以解决波浪传播，波浪振动特性，水质污染，泥沙输运和海床形态变化等问题，拥有丰富的用户技术支持和广泛的工业应用及验证。

研究背景

湖泊的热分层和热力循环是制约湖泊各种理化过程(如溶解氧分布、底泥营养盐释放、上下层水流混合和对流等动力现象 ) 的重要因素，是湖泊最重要的物理过程，同时对生物的新陈代谢和物质分解具有重要的作用，深刻影响湖泊的生态系统。 因此，研究湖泊的热分层现象具有重要的意义 。

传统的研究方法通过经验公式和监测数据结合的方式，做到定性或定量的研究湖泊热分层的影响因素，但是这种方法无法获取湖泊全部水域的参数信息，参数的预测受制于经验模型也不够精确。随着相关数值软件的稳定发展，使用数值模拟方法研究湖泊的热分层逐渐成为一种非常重要的手段。

德国蒙斯特洛科湖水深约14米，全年少雨，几乎没有进水流量。此外，该湖泊与莱茵河仅一坝相隔，由于莱茵河需要满足航运的需求且水深仅4米，因此不能轻易的向湖内补水，避免沉积物堆积影响正常航运。以上原因导致湖泊垂直方向的水体混合不足。2016年至2019年期间蒙斯特洛科湖多次发生因水体中溶解氧含量下降导致水生生物死亡的事件。

下图是蒙斯特洛科湖 的地理位置

本 案例旨在利用TELEMAC-MASCARET的TELEMAC3D三维水动力模块构建湖泊垂直热力交换的模型，研究无进水流量或流量很少时的水体混合现象。 进而为湖泊的水质研究提供水动力学模型基础。

模型构建

立方温跃层模型

在构建真实的湖泊模型之前，需要通过简单的模型确定参数的设置。无外流场驱动的热分层模型敏感性极高，对于算法参数设置的要求严格。具体地说，模拟求得的温度场存在误差噪声。当噪声较大时，会因温度差生成驱动流，模拟足够的时长后，虚假的流场会搅浑整个水域，而这并不是真实的物理现象。

为了消除误差噪声的影响，需要测试不同的算法。在这一阶段采用最简单的10*10*14米的55层立方水体模型，初始温度均匀，在最顶部设置温度边界条件为30摄氏度，实现对湖泊温跃层的模拟。

设置不同的对流算法，经测试验证“弱特征形式”对流算法的温度噪声最小，“强特征形式”次之。

下图是立方模型，使用“弱特征形式”求解的温度分布

锥底大尺度模型

经过立方温跃层模型的测试得到了合适的对流算法。还需要考虑底部地形造成的温度误差。这一步采用125*1000*14米共55层的锥底大尺度模型测试。

锥底模型使用“弱特征形式”算法求解的温度分布

上图可以看出，由于“弱特征形式”算法求解的温度分布受地形影响严重，因而最后选择“强特征形式”算法。

蒙斯特洛科湖模型

纵向设置55层，采用“强特征形式”算法，结合在湖泊内的两个监测点测量的垂直温度数据对湖泊模型进行校准，模拟14天内的温度变化。

经过校准，模拟与测量的曲线相对比，吻合度良好。

模型结果

为了进一步检验校准后湖泊三维水动力模型的敏感性，在湖泊的左端设置14度的水流从湖的表面流入，流量为1m³/s，模拟水体在2小时内的混合过程。

下图展示了14度的暖水在湖面上缓慢流过的过程。直到水流到达对岸，深层的水也没有被搅动。

入水流速为1m³/s，2小时后水体混合情况

当表面的入水流量增大到100 m³/s后，某些区域的深层的水体被搅动，温度分层也因为搅动而变得均匀。

入水流速为1m³/s，1.4小时后水体温度分布情况

本案例使用TELEMAC-MASCARET中Telemac3D模块，研究了湖泊的温度垂直分层现象，并且模拟了外部弱流驱动下的流体混合过程。基于这个高灵敏的模型，可以进一步研究湖泊的各种理化过程，如水质情况。

研究结论

本案例是将环境仿真技术应用于湖泊热分层现象的研究。模拟的结果证明了TELEMAC-MASCARET具备构建灵敏且稳定模型进而对湖泊水动力、热分层和热力循环现象进行模拟预测。区别于传统的方法，环境仿真技术可以获得更加全面的湖泊热力学信息。

近期培训通知

TELEMAC水动力专题培训

  培训时间  

2021年9月15日-18日

报名截止时间：2021年9月15日

本次培训名额有限，报名从速。

  培训地点  

河海大学：南京市鼓楼区西康路 1 号严恺馆 702

  拟定培训内容  

     1、TELEMAC-MASCARET 软件理论知识

     2、TELEMAC-MASCARET 软件安装编译

     3、TELEMAC-MASCARET 软件的上机实践和应用实例

          1）TELEMAC 2D: 水动力模型

          2）TOMAWAC: 波浪谱模型

          3）ARTEMIS: 波浪解析模型

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