SMS软件中文教程 - 2DHM 课程2：桥梁与涵洞建模

本视频演示如何在 SMS 中将已创建的 3D Structure 桥梁结构添加到 SRH-2D 模拟中，替换带桥网格与边界条件，并将旧模拟结果插值到新网格作为初始水面高程。视频还展示了运行模拟后如何查看速度、水深、水面高程、压力流以及 3D Structure Summary 等桥梁分析结果。

SMS 核心河流与洪水动力学模拟组件

1. 2D 自适应水动力学模拟系统 (ADH - Adaptive Hydraulics)

• 离散方法：二维有限元法。

• 技术特性：该系统具备自适应网格细化技术。在计算过程中，算法能够根据流场梯度（如流速、水深变化剧烈区域）自动调整网格密度，在保证局部精准解析的同时，优化全局计算效率。

• 核心功能：支持定常与非定常流的快速收敛、动水边界的干湿交替模拟、全耦合底质泥沙输运以及风生流场响应。

2. 2D 河流水流及泥沙演变模型 (SRH-2D)

• 离散方法：二维有限体积法。

• 技术特性：由行业权威管理部门主导开发的成熟模型，专用于非结构化网格。

• 核心功能：用于评估天然河道的二维水动力学特征、河床冲淤与泥沙输运机理，并支持定量输入植被粗糙度对过流能力的阻水效应。

3. 一二维耦合洪水演进模拟系统 (TUFLOW)

• 离散方法：一维/二维耦合有限差分法。

• 技术特性：专注于复杂流动状态下的非定常流模拟。支持一维渠道/管网与二维地表径流的无缝动态耦合。

• 核心功能：适用于洪泛区越堤洪水、城市暴雨内涝及地下管网倒灌、河口复合潮位演进、以及极端溃坝/风暴潮引起的瞬态淹没模拟。

• 扩展模块：

  • TUFLOW AD：水质对流扩散模块，模拟溶解态与颗粒态物质在非定常流场中的空间归宿与输运历程。

  • TUFLOW GPU：基于显卡并行架构的加速解算器，可在同等网格尺度下实现 10 - 100 倍的计算加速。

  • TUFLOW Multiple Domains：多网格域嵌套模块，允许在同一模型内连接多个不同空间分辨率和空间取向的二维区域。

4. 有限体积法河口与沿海水动力模型 (TUFLOW FV)

• 离散方法：二维有限体积法。

• 技术特性：基于非结构化三角形和四边形网格，具备优异的复杂边界拟合能力。

• 核心功能：致力于解决河口湾区、沿海岸线及大中型河流的水动力学循环、非粘性/粘性泥沙对流扩散及生态水质长周期演变问题。

5. 二维泛洪模拟软件 (HydroAS)

• 离散方法：二维有限体积法。

• 技术特性：在严格满足质量与动量守恒的前提下，对复杂地形具有极高的数值稳定性。

• 核心功能：多用于大面积洪泛区的水流动力学推演、风险图绘制、污染物迁移及河床质运动分析。

6. GPU 加速动床水动力学模型 (RiverFlow2D)

• 离散方法：二维有限体积法（基于 GPU 并行计算）。

• 技术特性：高性能非结构化网格模型，擅长处理高流速、大坡降的激波和不连续流动。

• 核心功能：支持干湿河床上的超临界流（急流）与亚临界流（缓流）平滑过渡；提供高分辨率的环境演进模拟、污染物浓度时空分布及动床（Mobile Bed）冲淤计算。

7. 有限元水动力学经典模拟器 (RMA2)

• 离散方法：一维/二维有限元法。

• 技术特性：求解常微分常系数及常应力形式的雷诺平均纳维-斯托克斯方程。

• 核心功能：用于模拟自由表面的常态常速水流（亚临界流），包含完善的干湿交替算法和针对沼泽、湿地地形的孔隙度修正模型。

8. 物质输运与水质扩散模型 (RMA4)

• 离散方法：一维/二维有限元法。

• 技术特性：对流扩散方程解算器。

• 核心功能：直接承接 RMA2 的水动力学流场输出结果，作为驱动力来追踪稀释物质、盐度、温流或低浓度污染物的时空迁移与衰减历程。

9. 涉水结构物非定常流模拟系统 (FESWMS)

• 离散方法：二维有限元法。

• 技术特性：专门针对具有复杂几何边界和水力控制结构的河流段进行开发。

• 核心功能：支持急、缓流混合模拟。在计算道路、桥梁、涵洞、堰坝等涉水涉路构筑物周围的水流局部壅高、流向突变及冲刷流场时具有极高适用度。

环境颗粒追踪组件

10. 拉格朗日颗粒追踪模型 (PTM)

• 数学机理：基于拉格朗日（Lagrangian）离散质点追踪法。

• 核心功能：通过读取 SMS 中主流模型（如 ADCIRC、SRH 或 RMA2）生成的时变流场，模拟离散颗粒的运动轨迹。常用于工程中疏浚抛泥的扩散范围预测、外源悬浮物的运移路径分析及特定水体质点的溯源。

开放式模型通用前/后处理接口

为打破单一软件的限制，SMS 内置了标准化数据中介接口，使其能够作为应用平台的交互枢纽：

11. 通用模型接口 (Generic Model Interface)

• 应用机制：提供标准化的网格和拓扑数据结构导出功能。

• 技术价值：各类基于二维有限元或有限差分的外部自研模型，均可将 SMS 作为其图形化前处理器（进行网格剖分、边界条件赋定）与后处理器（进行流速矢量图、水深等值线图等可视化渲染）。

12. 动态模型接口 (Dynamic Model Interface)

• 应用机制：基于 XML 配置协议的深度交互接口。

• 技术价值：系统编写人员仅需编写一个 XML 描述文件，即可向 SMS 定义特定外部模型的输入输出格式、参数菜单和控制开关。SMS 在运行时会自动解析该文件并动态生成交互界面，实现第三方计算引擎与 SMS 平台的一体化集成。