SMS—完整的地表水模拟软件

SMS 13.2—完整的地表水模拟软件
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软件简介

SMS的英文全称为“Surface Water Modeling System”，是美国陆军工程兵水利工程实验室（United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory）和扬·伯明翰大学（Brigham Young University）等合作开发的，可用来模拟水体的流场和浓度场。它由FESWMS-2DH、RMA2、RMA4、SED2D等软件包组成。 SMS包括二维有限元，二维有限差分，三维有限元和一维建模工具，SMS支持的模型包括TSACE –ERDC，支持TABS-MD、ADCIRC、CGWAVE、STWAVE、M2D、HIVEL2D和HEC-RAS模型。为了方便使用FHWA的综合分析包FESWMS和Bri-Stars，SMS开发了一个综合的应用界面，同时SMS包括通用模型界面，这一界面可以用来支持那些没有正式并入系统中的模型。

SMS 软件功能

一、模型概述
SMS为有效地管理整个地表水建模过程提供了完整的解决方案。

1、灵活的建模方法
SMS倡导概念模型的方法，构建一个概念模型需要使用GIS对象（点、弧线和多边形）构造一个高层次表示模型。通过使用概念模型，可用一种简单而有效的方式使得大型、复杂的模型得到应用，而且可以轻松的更新或根据实际需要改变模型。SMS也有强大的工具来构建网格和网格。

2、优越的三维可视化性能
SMS是三维环境中最先进的地表水模拟软件系统。
• 作用于真实的三维系统
• 优越的OpenGL图形硬件升级
• 创建照片级真实感的表现
• 可生成动画PowerPoint或Web演示文稿
• 图像可悬垂在模型上且可控制透明度
• 可注释添加指北针，比例尺，参考图像，公司微标等

3、可导入你所需要的图像或数据
模型需要来自许多不同来源的数据。这就是为什么SMS建立能够轻松地导入多种文件类型：
• 包含地理坐标定位和投影支持的光栅图像
• 地形图和航拍图
• 海拔和水深数据
• 类似TerraServer的Web数据服务
• ArcGIS数据库和数据说明
• .dwg，.dgn，.dxf格式的CAD图
• 包含直角坐标和地理系统的全球投影支持
• 分离的文本文件和电子表格文件导入向导

4、先进的河流及港口模型
SMS接口数值模型具有广泛的应用，包括：
• 河流模拟
• 污染物运移
• 输沙
• 粒子跟踪
• 农村与城市洪水
• 河口
• 沿海水体
• 波浪建模

二、利用SMS进行河流和洪水建模

1、ADH
ADH是一个最先进的自适应水力建模系统。 ADH采用自适应数值网格，在保证效率的同时可以提高模型的准确性。它还允许流量快速收敛到稳态解。 ADH包含其他重要的功能，如湿润和干燥，完全耦合输沙和风力的影响。一系列的模块化库有可能使ADH包括船舶的运动，摩擦说明，以及许多其他重要功能。

2、RiverFLO-2D Hydronia
（1）什么是RiverFLO-2D？
RiverFLO-2D v3是一个二维河流液压和移动床模型。它提供了非常稳定和快速的有限元计算，使用精致灵活的三角元素网格占据亚临界和超临界流。 RiverFLO-2D提供了大量的高性能功能，包括二维洪水演进替代湿法和干河床条件以及更快的并行计算引擎模拟。
（2）RiverFLO-2D的主要特点
RiverFLO-2D V3可以解决复杂的河流液压工程和沉积河床的输沙问题。一些主要机型特点包括：
• 无限细化了的灵活的三角元素网
• 干湿床的稳定和强大的处理
• 亚临界和超临界流
• 无限流量的流入和流出边界
• 使用联邦公路管理局（FHWA）公式计算两个元素间传输的1D涵洞动态流量（入口和出口控制）
• 自动型发动机可充分利用多核处理器加快计算速度
• 侵蚀和沉积床在2D环境中使用九个输沙公式（Meyer-Peter & Muller, Ackers-White, Yang (sand), Yang (gravel), Karim-Kennedy, Van Rijn, Engelund-Hansen, and Parker-Klingeman-McLean, and rating curves）进行仿真
• 英制和公制单位
• 开放的边界条件选项
• 综合输出文件
• 联合其他模型如PTM（粒子跟踪模型）

3、RMA2
RMA2是一种支持亚临界流量分析的流体动力学模型。是由美国陆军工程师水道实验站（USACE-WES）编写，是TABS分析软件包的一部分。应用在TABS代码中的模型分析方法以及文件格式和输入参数都体现在自己的文件中。SMS可为RMA2提供前处理和后处理的支持。
RMA2使用的网格是在SMS中利用Mesh模块中创建和编辑的。参数建模所需的RMA2由网格在RMA2中使用菜单命令分组时产生。数据后处理是通过使用SMS可视化工具形成RMA2后产生的。
应用：
• 河网水流条件数值模拟
• 建筑物对河流流态数值模拟
• 河流航道整治工程效果数值评估
• 河道取水口对内河航道通航的影响
• 河道防洪评价
• 河口及流动条件数值模拟

4、RMA4
RMA4是TABS-MD程序的一部分，用于跟踪二维模型中成分的流动。RMA4可用于表示污染物和盐水在一个系统的传输过程，RMA4只能在最初流体力学方案运行后才能运行。目前，SMS只能通过来自RMA2的文件来与RMA4接口对接。因为RMA4是跟踪传输，本身是一个动态模型。RMA4使用流动的方法，通过流经网格的流量来计算成分的浓度。用RMA2可以计算初始状态为稳态和动态的水动力，RMA4可反复利用稳态方法，或者可以循环动态方法的一部分来模拟随时间产生的传输。

5、FESWMS
FESWMS是一个流体力学模型，支持干湿区域的超临界流量分析。由美国联邦公路管理局（FHWA）的Dave Froelich PE博士开发，FESWMS适用于设计流量控制的模型，如遇到交叉点的道路和水路。具体可应用于堰、涵洞、滴口、桥墩等形成标准的二维有限元模型。
应用：
• 与RMA2相似
• 采用有限元进行离散
• 数值方法与RMA2不同
• 可模拟多种建筑物形式对流的影响
• 可模拟急流、缓流及临界流

6、TUFLOW
（1）什么是TUFLOW？
TUFLOW是一个1D/2D洪水和潮汐模型，它比那些具有类似功能的更昂贵的洪水模型具有广泛的应用范围。与领先的洪水模拟模型相比，TUFLOW拥有改进的数据处理和更快的计算速度。 TUFLOW利用高端模型成本的一部分来提供稳定，强大和高效的动力模型。

（2）什么让TUFLOW更具特点？
TUFLOW可用二维流动模式模拟沿海水域，河口，河流，洪泛平原和城市给排水环境有复杂的动力学行为，而使用传统的1D网络模型很难进行模拟。它通过模拟复杂的陆路和管道城市流动更适用于主要河流的洪水建模。
TUFLOW一个强大功能是最早于1990年的2D/1D动态链接，之后提供了无与伦比的灵活性。 TUFLOW正在不断发展和演变，以满足动力模型的挑战。
（3）为什么TUFLOW与SMS结合？
SMS的开发与TUFLOW开发洪水和潮汐模型很相近，构建TUFLOW模型全过程都是在SMS系统中进行的。
• 高级数据处理
• 直观的模拟经营
• CAD和GIS软件的导入和导出功能
• 与其他模型耦合，如PTM（粒子跟踪模型）
（4）TUFLOW可用于什么环境中？
• 干湿环境中快速、稳定
• 1D和2D链接模型
• 多个2D域（可选）
• 在一维或二维表示水工建筑物
• 上行/下行自动流态切换控制
• 1D和2D超临界流
• 高度灵活和高效的数据处理
• 基于GIS
• 高质量输出控制
• 强大的可视化和后处理工具，用于管理数据集，分析结果，以及创建演示文稿图形
• 基于1D渠道或管道网络的截面（雨水渠）
（5）开始使用SMS和TUFLOW
可免费试用SMS和TUFLOW 30天来体会其强大的功能。访问下载中心下载最新的SMS完整版本。这一安装版本集合了SMS和TUFLOW教程。
（6）本教程提供了一步一步的说明：
• 背景数据和创建网格
• 设置模拟
• 使用TUFLOW的日志文件以查找和解决问题
• 嵌入1D涵洞在2D领域
• 使用结合1D/2D模型
• 建模桥梁

7、TUFLOW AD
TUFLOW AD（平流分散）是一个模拟平均水深的模块，溶解和颗粒状成分均可以模拟。TUFLOW AD需要通过TUFLOW和ESTRY引擎来计算的深度和速度，连同初始条件和边界条件来模拟平流和分散的成分。TUFLOW AD是专门面向包括沿海水域，河口，河流，洪泛区和市区的系统进行模拟分析。

8、多维TUFLOW
允许任何数量的不同的单元大小和方向的粒子建立模型。 2D模型可以与1D模型连接，也可通过的2D/2D功能链接。每个域都可以有不同大小、方向的单元格。例如，一维结构域的河流系统可能有一些更详细的二维分析域嵌入进去，另一种是可使用较大的2D网格连接到一个更加精细的分辨率较高的2D模型。 1D元素可以链接不同的2D模型。

9、HYDRO AS-2D
HYDRO AS-2D可进行水体的2D建模。HYDRO AS-2D程序集成是基于有限体积离散的二维方程的数值解。除了二维模拟，HYDRO AS-2D也可以模拟污染物和泥沙输运。
特点：
• 迅速地解决了数百数千个元素
• 通过广泛的实验室测试和真实世界的应用保证计算精度
• 水动力条件的高稳定性和准确性
• 精确的复杂地形上的潮汐波传播体积
• 流动速度，方向和洪水深度
• 由于泥沙侵蚀和泥沙淤积的河床演变为蓝本
• 完全耦合的运输和流体动力学解算器，确保由于泥沙冲刷/沉积电流变化的准确模拟
• 在同一时间，多达五个晶粒尺寸的模拟运输
应用：
• 洪水分析
• 河道和河漫滩泥沙侵蚀/沉积研究
• 潮汐波的传播
• 水道污染物扩散

10、PTM
粒子跟踪模型（PTM）是拉格朗日粒子跟踪器，允许用户模拟粒子输运过程。 PTM是通过参与美国军团工程技术研究开发中心（ERDC）研究计划，沿海进气道研究发展计划（CIRP）及疏浚业务与环境研究（DOER）的计划的两名美国军团工程师研发。
PTM是经过疏浚及沿海疏浚材料色散，泥沙途径等构成，包括应用程序开发的模型。该模型包含代表运输的算法，沉淀，沉积，混合和在近岸波/电流条件下的再悬浮过程。它使波浪和水流直接通过其他型号并直接输入到PTM中。

SMS System Requirements

Operating System: Windows® XP*, Windows Vista®, Windows 7, Windows 8/8.1 or Windows 10
*Limited support for Windows XP with some limitations using certain fonts and display options.
RAM: 1 GB (8GB or more recommended)
CPU: SMS software is CPU intensive. Some models and utilities integrated with SMS can take advantage of multiple processor cores simultaneously.
Graphics Card: For all display features to be enabled, OpenGL 1.5 or higher must be supported. The use of a dedicated graphics card is strongly recommended. Integrated graphics can result in significantly reduced performance and may not support some visualization features.
Display Resolution: 1024 x 768 or greater

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