1、DHI-WASY 软件 FEFLOW 6 有限元地下水和溶质迁移模拟系统 用户手册 DHI WASY 目录 1介绍 1 1.1 欢迎 使用 FEFLOW . 1 1.2 FEFLOW 软 件包 1 1.3 FEFLOW 用 户文档 . 2 1.4 应用 范围和 结构 2 1.5 注释 3 2 用户界面 . 3 2.1 原理 3 2.2 图形 驱动 4 2.3 界面 定制 4 2.4 视图 窗口 5 2.5 教程 5 3 应用地图 . 7 3.1 地图 的用途 7 3.2 坐标 系 8 3.3 地图地 理参考 . 9 3.4 地图 处理 9 3.4 导出 地图 11 3.5 教程 11 4空间初
2、步划分 . 13 4.1 什么 是空间 初步划 分? 13 4.2 编辑 空间初 步划分 特 征 14 4.3 把地 图特征 转换为 空 间初步划 分特征 15 4.4 教程 15 5 有限单元网格 20 5.1 空间 离散 20 5.2 网格 生成过 程 21 5.3 网格 生成算 法 21 5.4 网格 编辑 22 5.5 3D 离散 22 5.6 教程 24 6 问题设定 31 6.1 问题类型 31 6.2 求解 方法 38 6.3 教程 38 7. 擅用 选择 . 41 7.1 介绍 41 7.2 选择 工具 42 7.3 存储选 择 . 43 7.4 教程. 44 8 参数可视化
3、47 8.1 介绍 47 8.2 视图 窗口 47 8.3 模型几 何体和 数据绘 图 . 47 8.4 可视 化选项 48 8.5 裁剪. 48 8.6 检查 49 8.7 教程 49 9 参数赋值 54 9.1 介绍 54 9.2 输入 参数 54 9.3 赋常 数值 58 9.4 时间 序列数 据 59 9.5 地图 数据赋 值 60 9.6 查找表 赋值 . 63 9.7 复制 数据值 63 9.8 单位 63 9.9 教程 63 10 模拟 . 71 10.1 介绍 71 10.2 模型 检查 . 71 10.3 结果 输出 71 10.4 模拟 运行 71 10.5 收敛 72 1
4、0.6 教程 72 11 评价 结果 . 74 11.1 介绍 74 11.2 观测 点 74 11.3 水量 平衡分 析 74 11.4 含量 分析 75 11.5 流线 和迹线 76 11.6 输出 77 11.7 教程 77 12 动画 和视频输出 . 83 12.1 介绍 83 12.2 创建 演示 83 12.3 影片 输出 84 12.4 教程 84 13 插件 和界面管理器 . 86 13.1 介绍 86 13.2 用户 插件 86 13.3 技术 87 13.4 界面 管理器 87 13.5 教程. 87 1 1 介绍 1.1 欢迎使用FEFLOW 感谢您选择 FEFLOW 软
5、件！ 您选择了目前世界上功能最齐全， 最行之有效和可靠的模 拟孔隙介质水流流动和溶质迁移过程的软件之一。 本手册介绍 FEFLOW 软件的广泛模拟功能，阅读本手册有助于 FEFLOW 软件易操作 且直观的图形用户界面充分发挥潜力。 请尽量熟悉软件，以确保您在项目中获得最大的收益和效率。 1.2 FEFLOW 软件包 FEFLOW 软件用户界 面支持从预处理、 运行模拟到后处理的整个工作流程。 此外， 软 件还有一些支持特定用途的功能模块，如： FEFLOW 视图 免费的可视化和后处理 FEFLOW 文件的工 具。 Command-Line Mode 在命令行模式 ， FEFLOW 软件运行没有
6、任何的 图形用户界面。 这对于 运行批处理或整 合到其他模拟环境非常有用。 FEFLOW Classic 标准的用户界 面 可以提供典型应用所需的大多数功能。但是，一些具体的任务要求 使 用以前的用户界面。 WGEO WGEO 是一个地理图像处理软件。其与 FEFLOW 软件模拟相关的 最重要的应用领域 是栅格地图的地理参考和坐标变换。 FEPLOT 由于 FEFLOW 软件本 身不提供打印功能， FEPLOT 可用于创建绘图 布局和打印由矢量 地图，图形元素和文字组成的地图。 2 FE-LM 2此工具提供了曲线拟合功能，例如，可以使用 FE-LM 2 获取不饱和流或吸附等温线等 的参数关系中
7、的参数值。 1.3 FEFLOW 用户文 档 FEFLOW 用户文档不 仅 介绍了软件的应用 实例， 还详细描述了软件所用基本概念和方 法。 当客户获得印刷的安装指南和用户手册时， 安装盘中包含了 PDF 格式的参考手册和白 皮书。根据要求，我们也可以向客户提供印刷版本。 参考手册包含了 FEFLOW 的物理和数学基础以及许多基准案例介绍， 这些基准案例用 来验证 FEFLOW 软件 对各种物理过程的适用性。 白皮书收集了关于 FEFLOW 软件的参考文献， 参考文献的主题涉及了从理论概念到特 殊应用等各种领域。本用户手册和 DVD 小册子中的循序渐进学习教程是偏重实用方 面的用户文档。 在实
8、际操作过程中，图形界面帮助系统可以提供对用户界面元素的详细介绍，可作参 考。 1.4 应用范围和结构 此用户手册是用来作为 FEFLOW 地下水模 拟的实用 指南。 它旨在解释模型建立、 模拟 和后处理的基本工作步骤， 并提出针对某些具体应用的替代方案和设置， 及其优势和劣势。 因此， 用户手册可以作为针对 FEFLOW 新手 的介绍， 也可以为经验丰富的用户提供参考。 用户手册在整套完整的用户文档中的定位是介于参考手册和白皮书的理论依据和帮助系统 中用户界面元素和工作流程的详细描述之间。 本手册采用典型的模拟流程 从 基 本 的 地 图 开 始 ， 以 模 型 后 处 理 结 束 并 扩 展
9、 了 FEFLOW 的功能。每 一章首先介绍主题，然后介绍相关 FEFLOW 工具，基本概念和工作 流程，最后以 指导教程结束。 本手册 主要根据 FEFLOW 6 标准用户界面， 但有些章节可能要参考 FEFLOW6 经典界 面的某些功能。经典界面请参见单独的 FEFLOW6 经典用户手册, FEFLOW 安装盘中有其 电子版本。 3 1.5 注释 大部分教程指导都基于已有文件， 因此需要安装 FEFLOW 演示数据包。 的 文 件 路 径 请 参 考 演 示 数 据 的 安 装 文 件 夹 。 不 同 操 作 系 统 的 默 认 的 安 装 位 置 可 能 有 所 不同。在微软操作系统上，
10、典型的安装位置为 Windows XP: C:Documents and SettingsAll UsersDocumentsWASY FEFLOW 6.0demo Windows Vista / Windows 7: C:UsersPublicDocumentsWASYFEFLOW 6.0demo 2 用户界面 如何使用基本的用户界面组件 The User Interface 2.1 原理 FEFLOW6 的用户界面 设计宗旨为不需要打开嵌套的对话框或菜单而提供尽可能多的 工具。 它为有经验的 FEFLOW 用户提供了高效率的工作流程， 而对初次使用的用户来说界 面可能看起来比较复杂。 因此
11、，界面只显示与模型建立的当前阶段或当前模型类型相关的界面组件。五个主要 的界面组件 菜单、工具栏、视图、面板和图表，都自动适应当前状况。 图 2.1 视图组件面板的上 下文菜单 为方便快捷的使用某些常用功能，很多用户界面元素的功能也可以通过上下文菜单实 现，例如，数据面板的参数或视图窗口的图例功能。 4 2.2 图形驱动 FEFLOW 可视化用户 界面使用 OpenGL （开 放图形库） 。OpenGL 已经经过充分证实， 可以实现图形硬件加速显示。为了有效地使用 OpenGL ，应安装由 显卡或芯片制造商提供 的图形驱动程序。 操作 系统附带的标准驱动可能不完全支持 OpenGL 。 尤其是
12、笔记本电脑， 目 前 已 发 现 几 例 购 买 时 所 提 供 的 驱 动 程 序 中 包 含 OpenGL 问 题 的 案 例 。 我 们 建 议 在 使 用 FEFLOW 软件前或在 图形显示出问题时， 到显卡或芯片制造商的网站上下载最新的驱动程 序。 2.3 界面定制 界面是完全可定制的，也就是说，除主菜单之外，用户可以任意选择所有组件的位置 和可现性。组件可以固定在某主窗口处，也可以作为单独的窗口浮动。如果想在固定和浮 动状态之间切换，可以双击面板的标题栏或按鼠标左键同时拖动一个组件移动到另一个位 置。如要避免固定，可以在移动一个面板或图表窗口前同时按 键。 面板和图表也可以分页，使
13、两个或多个以上组件叠加放置。点击其中一个选项卡可以 使相应的面板或图表置前。 浮动工具栏，面板和图表可以移动到主应用程序窗口以外。当用户在一个屏幕上放大 视图窗口而把工具栏和面板安排在另一 个屏幕上时，这一功能非常有用。视图窗口不能移 动到主窗口以外。 图 2.2 上下文菜单 工具栏，面板和图表可以通过在用户界面空白处，即无其它上下文菜单显示的部分， 点击上下文菜单打开和关闭（图 2.2） 。面板和图表也可以通过点击组件右上角的关闭图标 来关闭。 在探索新界面时，你可能遇到大多数面板和工具栏被隐藏的情况，可能其余组件也不 是如你所愿排列。在这种情况下，只需打开视图菜单点选重置工具栏和固定窗口布
14、局，下 一次启动 FEFLOW 时 会出现默认布局。 5 2.4 视图窗口 视图窗口包含了模型的不同视图，可能还有地图和其他可视特征。除非内存限制， FEFLOW 可同时显示 任意数量的窗口， 以显 示不同的模型组件 （在 当前视图面板中的视图 组件面板列出） 。每个视图都有它自己的设置和组件处理功能。 2.4.1 视图窗 口类 型 FEFLOW 有四类视图 窗口: 空间初步划分视图 FEFLOW 层面视图 3D 视图 剖面视图 可通过视图菜单打开新的视图窗口。 如打开剖面视图, 需要在空间单元面板选中 2D 表面线. 2.4.2 导航 在视图窗口可以用鼠标左 、右按钮和鼠标滚轮直接导航，简单
15、易行。默认情况下，点 鼠标左键可以在 FEFLOW 层视图中遥摄，在 3D 视图中旋转。 除了在视图上调用上下文菜 单， 当导航工具处于 激活状态时点鼠标右键也可以缩放 视图。在 FEFLOW 层视图中， 鼠标 滚轮具有缩放功能，而它在 3D 视图中用来旋 转。鼠标滚轮和 键联合使用可定向放 大（在 FEFLOW 层视 图以 y 方向，而在 3D 视图以 z 方向） 。 键盘快 捷方式 允许快 速 返回到 全景图 （ ） ，重置 旋转（+ ） ，和 重置缩放（+ ）。 视图工具栏的其他工具也可以用于返回到全景， 返回到一个视图菜单定义的首选视图， 和撤消/ 重做对视图的改动。 2.5 教程 当
16、 FEFLOW 启动时， 默认打开一个空白工程和初始域边界对话框。 在这里， 我们为网 格设计定义初始工作区域。 可以手动定义或在随后的步骤加载地图后定义。 如需快速启动， 只要点击 手动指定，并点击 确认接受默认工作域边界。 下列组件现在在工作区中可见: 6 活动视图窗口 空间初步划分视图 主菜单 面板和工具栏 默认情况下， 并不是所有的面板和工具栏均有显示。 为熟悉图形用户界面的使用方法， 我们现在在工作区中再增加一个面板。 在主菜单上打开 视图 面板单击插件面板。 按着鼠标左键拖动面板可以移动面板的位置，松开鼠标可以将面板固定在主窗口某处 或者作为单独的浮动窗口。 图 2.3 FEFLO
17、W 标准布局 通过不同的方 式可以增 加另一个面板 。在用户 界面的空白部 分，例如 查看面板的灰 色 区 域 ， 点 击 鼠 标 右 键 ， 打 开 一 个 包 含 工具栏、面板和图表 的上下文 菜单。打开 面 板选项卡并单击地图属性面板。此面板在用户工作区内呈现为单独的浮动面板。双击其标 题栏可 将该面 板固 定在 主窗口 内。 空间单 元面 板和 属性面板 已被 分页 ，每次 只有一个 面板可见。单击属性面板使该面板置前。单击面板右上角的关闭图标可关闭面板。 7 图 2.4 工作区内的浮动面 板和工具栏 一般地，只有与当前活动视图相关的工具栏可以显示。除此限制以外，工具栏的是否 可见及其
18、位置由用户控制。作为练习，请点击网格编辑器工具栏的左边界，将其拖到其他 位置，例如置入空间初步划分视图。我们还要在工作区域内添加原点工具栏。选择上述方 法之一来 添 加 一 个 面 板 ： 点 击 视 图 工 具 栏 或 者 在 工 作 区 空 白 处 点 击 鼠 标 右 键 。 要 恢 复 图 形用户界面的默认设置， 点击视图点选重置工 具栏和固定窗口布局。 当下次启动 FEFLOW 时会出现默认布局。 3 应用地图 加载和管理不同类型的地图 Working with Maps 3.1 地图的用途 地图是所有建模项目不可或缺的组成部分，其最明显的作用是为在模型区域内定位提 供基础。 然而 F
19、EFLOW 把地图更加广泛的应 用于建模工作流程中。 地图几何形状可以用来8 影响模型网格生成过程，可以用作根据几何形状界定目标节点或单元进行参数赋值，属性 地图本身甚至可以提供输入数据。 3.1.1 栅格/ 矢量 地图 我们要区分栅格地图和矢量地图。基于像素的栅格地图例如 TIFF, JPEG 或 PNG 等地 图仅能提供可视化信息。矢量地图包含离散几何图形（点，线和多边形） 。FEFLOW 支持 的格式包括 ESRI Shape 文件，AutoCAD 交换文件，Dbase 表格和一 些 ASCII （文本） 文件 格式。 除了几何信息， 这些文件格式还包含属性数据， 例如某些几何特征的数字
20、和/ 或文字 数据。 一些文件格式， 例如 shp 文件， 支持无限数量的用户定义属性， 其他如 DXF 文件只 允许包含绘制属性， 如颜色或线条样式等， 而如 trp 这样简单的格式 （ASCII 的三重格式 - XYF ）只支持单一的属 性值。 3.1.2 2D/3D ESRI Shape 文件， AutoCAD 交换文件和表格文件 （dbf ， dat ） 可能包 含 3D 地图信息。 FEFLOW 软件支持在 3D 视图窗口中显示 3D 地图（图 3.1）。 图 3.1 3D 视图窗口中显 示 3D 地图 3.2 坐标系 处理空间数据需要定义唯一的坐标系作为参照。FEFLOW 可以使用
21、 任何笛卡儿系统， 即以 x 和 y 坐标轴，以 米为计量单位的正交坐标系。 其中最广泛应用的是 UTM 坐标系。 为了获得更高的计算精度， FEFLOW 同时使用 局部和全局坐标系。 这 两个坐标系的坐 标轴方向相同，只不过局部坐标系与全局坐标系的原点有所偏离。 局部坐标系中的位置可以用笛卡儿坐标或极坐标表示。特定视图窗口的坐标系可以在 视 图 菜 单定 义 。新 建 一个 模 型 时, 局 部坐 标 系和 全 局 坐标 系 的偏 移 量会 自 动 根据 图 幅或 手9 动定义，也可以之后在坐标系原点对话框编辑，访问该对话框可以通过单击原点工具栏的 编辑原点按钮。通常情况下，只需处理全局坐标
22、系。 在 2D 剖面和轴对称模型中，y 坐标代表高程 。 在这些情况中，应尽量避免局部坐标 系和全局坐标系在 y 方 向的偏移 ， 这样就无需 考虑高程的参照坐标。FEFLOW 内部使用局 部坐标系的 y 坐标作为 与高程有关参数的参照坐标，例如由水头转变为压力水头，反之亦 然。 图 3.2 全局和局部坐标(2D/3D). 3.3 地图地理参考 FEFLOW 提供 的 WGEO 软件可以为栅格图像 ，例如 FEFLOW 中用 作地图的 TIFF 、 JPEG 或 PNG 格式的扫描地图，添加地理参考信息。WGEO 也可以通过应用 7 参数 Helmert 转换方法进行 栅格和矢量地图的坐标转换
23、。 在 Plus 模式 （需要单 独的使用许可） 下， WGEO 还提供了适合 ESRI Shape 文件 （shp 格式）和 AutoCAD 交 换文件（DXF 格式） 的地理参考功能。如有需要，其他坐标转换方 法也是可用的。 请参阅 WGEO 软件使用手册以及帮助系统来了解各工作流程的详细介绍。 3.4 地图处理 地图面板用于加载和管理栅格和矢量地图。 可用的格式有 tif ， jpg 和 png 等栅格地图， 以及 shp, lin, ply, pnt, trp, ano, dxf, smh, dbf 和 dat 等矢量地图。 对于表格数据， 除非有默 认 的 X 、Y 、Z 坐标值，
24、在数据导入时必须选中包含坐标值的数列。当活动视图是 FEFLOW 层视图或 3D 视图时，模型可用的空间初步划分特征（点、线和多边形）也会显示在面板 中。 10 这些地图以树形结构显示，自动根据格式排序。不同文件类型或者同一文件类型的不 同文件的顺序可以通过拖动来改变，即获得对常用地图的快速访问。 地图图层 栅格地图已包含每个像素显示颜色的信息 ，而矢量地图不具有这样的特性。 矢量地图 的显示信息包含在所谓的图层里。 当加载地图时，FEFLOW 创建一个 缺省图层， 这个图层 只有一种单一的样式 （ 颜色、 线条样式等） ， 可以应用于地图中的所有特征。 通过使用图层 和地图的上下文菜单可以编
25、辑缺省图层的属性和增加新的图层。 地图属性 打开图层的上下文菜单使用地图属性面板可以编辑地图图层的属性。诸如透明度 、亮 度和 3D 绘图选项等属性均可以被应用到地图的所有特征中。 地图可以根据属性字段进行分类，或者为每一属性值设定不同的显示样式，或者把属 性数值范围分段。 预定义的调色板随时可以应用到地图的分类或值中。 单一类或多种类的颜色以及其他样式可以手动编辑。 图 3.3 地图属性面板 11 3.4 导出地图 所有模型的属性和结果均被导出为各种不同的地图文件，并且保留了模型的地理参照 系。 模型的参数导出通过数据面板或者视图组件面板中参数的上下文菜单来调用 。对于后 者，也可以导出模型
26、选定几何体或当前层面/ 层的参数值。 诸如等值线或者等值条纹等图形可以通过视图组件面板可视化选项的上下文菜单导出 为地图文件。 3.5 教程 下面的练习是为了帮大家熟悉如何在 FEFLOW 工作区内处理地图。 使用到的加载和 管理地图的最重要的工具是 地图面板。 首先，我们加载一些可以用来创建一个空间初步划分的不同格式的地图。 打开一个空的 FEFLOW 工程，在弹出的初 始域边界对话框单击 使用地图.按钮， 选择 SimulationArea.jpg 文件作为定位背景地 图。 此刻在 地图面板中的地图显示为 Geo-JPEG 格式。 双击该地图添加到当前活动视图。 然后， 加载一些包含模型区
27、域信息的地图。 在 地图面板的地图上点击右键选择 添加地 图，选择如下文件： model_area.shp sewage_treatment.shp waste_disposal.shp rivers.linu demo_wells.pnt 我们既可以逐一加载地图， 也可以通过点击所需加载的地图并按 键来全部导入。 由于文件格式不同， 地图面板中的地图在不同的树列显示， 并由 FEFLOW 自动创建 一个默认图层。双击这些默认 图层，把所有地图添加到当前活动视图。 12 图 3.4 地图面板. 添加在当前活 动视图的 地图同时也显 示在 视图组件面板中。 在这里， 地图可以通过 复选框暂时显示
28、和关闭。 地图的树型排列顺序可以通过用鼠标光标拖动来改变。 如果在空 间初步划分视图 中一些 加载的地图不可 见，可 以在 视图组件面 板中改 变地图的顺序来将 被其它地图覆盖的地图置前。 3.5.1 地 图图 层 model_area 地图定义了 模型区域的外部边界。在 地图面板该图的默认层点击鼠标右 键， 在上下文菜单选择 编辑属性可以改变默认图层的样式 。 这时在已打开的 编辑属性 面板的左上角点击 ， 转入多边形属性。 改变多边形的填充颜色和边线样式。 然 后降低地图的不透明度使下层地图可见。点击 确认按钮，关闭该面板。 对于 下一幅地图 sewage_treatment ， 我们在已
29、有默认图层旁创建一新的图层。 点击右键 打开上下文菜单选择 创建图层。 地图的树形结构添加了一个新的图层 1。 以之前介绍的 相同方法打开 地 图 属 性 面 板 再 次 点 击 。 改 变 多 边 形 的 填 充 颜 色 和 边 线 样 式, 同时降低地图的不透明度使下层地图可见。点击 确认按钮，关闭该面板。 在 地图面板双击图层 1 把该图层添加到当前活动视图。你可以使用 视图组件面板 中各图层前的复选框在一幅地图的不同图层间切换。 最后激活的图层 总是在最上层。 图 3.5 为导入地图样式的一个例子。 我们加载的其它地图包含河 流和井，即线和点特征 ，的空间信息。要在活动视图中突 出显示
30、河流，可以在地图河流的默认图层利用 地图属性面板改变线的颜色和宽度。 13 对于地图 demo_wells ，点和标注的样式设定可以分别进行编辑。 4 空间初 步划分 建立网格生成框架 4.1 什么是空间初步划分? FEFLOW 中的空间初 步划分是生成有限单元网格的框架。 它包含了网格生成算法所需 的 所 有 基本 几 何信 息 。在 最 简 单的 例 子中, 空间 初 步 划分 只 由一 个 多边 形 定 义了 模 型区 的 轮 廓 。 但是 概 念上, 空间 初 步 划分 也 可以 由 任意 数 量 的多 边 形、 点 和线 构 成 。这 些 特征 具 体在下面的章节介绍。 4.1.1
31、多边形 有些情况下需要把模型区划分为多个多边形区域, 其原因为： 多 边 形 边 界 的 有 限 单 元 边 线 可 以 进 行 准 确 的 参 数 分 区 或 在 之 后 的 模 型 设 置 过 程 中 可以准确定义设置边界条件的位置； 每个多边形可以单独设定所需有限单元网格密度； 多边形可以用来进行参数赋值和结果评估。 4.1.2 线 空间初步划分使用线条代表有限单元网格中的线状结构，使用线条的优点在于: 线条处的有限单元边线可以实现例如沿河流准确设定边界条件等功能； 在沿线 生成网格时会自动在线条附近加密； 线条可以用来进行参数赋值和结果评估。 4.1.3 点 空间初步划分的点通常设在抽
32、水井，回灌井或实测点处。它们可以保证生成网格时这 些位置为有限单元节点，这些点附近可以进行局部加密，也可以用作参数赋值，例如设置 抽水井边界条件。 14 图 4.1 空间初步划分示例 4.2 编辑空间初步划分特 征 网格编辑器工具栏提供了数字化和边界空间初步划分特征的工具。 多边形集合必需满足以下要求： 任何两个多边形不能互相重叠； 一个多边形不能被另一个多边形包含。 用户界面工具确保了任何时候这些要求都可以满足。 但空间初步划分允许内部出现空 洞。这些内部边界以其它颜色标明 ( 图 4.2) 。 图 4.2 空间初步划分内边 界 网格编辑器工具栏可以用来数字化和编辑空间初步划分的多边形、线条
33、和点。 15 在 移 动 节 点模 式, 无 论是 原 始 数 字化 的 节点 还是 数 字 化 节点 间 的小 节点 都 可 以 移动 。 移动小节点可以改变多边形边线的曲率 （ 抛物线型或圆型 ） ， 通常曲线形多边形边线用作代 表曲线形结构，例如小尺度模型中的钻孔边缘或井壁。 当在一个已有多边形旁边数字化一个新的多边形时，编辑器会追踪已有多边形的边界 以完成新多边形的绘制( 图 4.3) 。 图 4.3 已有多边形边界绘 制地图 4.3 把地图特征转换为空 间初步划分特征 除了在屏幕上数字化，空间初步划分特征还可以从背景图导入。这可以通过地图面板 中该背景图的上下文菜单中的转化为空间初步
34、划分实现。 使用这种方法，地图上所有的特征都被转化为空间初步划分特征。如果多边形会与已 有多边形互相重叠，则不被转化。 4.4 教程 4.4.1 工具 本练习中所用到的所有工具都在 网格编辑器工具栏上。 图 4.4 网格编辑器工具栏 16 4.4.2 多边形, 线 和点 为培训空间初步划分设计的实际操作能力，我们设计了只包含一个多边形的第一个空 间初步划分。 打开一个空白的 FEFLOW 工程，首先定义网格设计的工作区。在初 始区界对话框单 击 手动设定然后点击 确认离开对话框。工作区界被设为 100m x 100 m 。 现 在 ，在 窗口 左 上角 的 网 格编 辑器 工 具栏 上单 击
35、添 加 多边 形 按钮 。在 空 间 初 步划分视窗单击鼠标左键依次设定多边形节点， 再次单击多边形的第一个节点完成多边形。 完成的多边形显示为灰色。 现在， 在与第一个多边形毗邻 处添加第二个多边形。 注意， 鼠标 光标 会随着在空间初 步划分视图 中的位置变化: 光标提示只有在已有多边形外部才可以设定多边形节点。 这确保 创建的多边形不会叠加。在多边形内部单击鼠标 FEFLOW 不会创建 新的节点。 把新多边 形的第一个节点设在已有多边形的边线上，依次继续设定节点并在多边形边线上设定最后 一个节点。 在最后一 个节点上双击鼠标左键， FEFLOW 会自动沿 着已有多边形的边线完 成该多边形
36、的设定。 图 4.5 空间初步划分视图 中已完成的一个多边 形 也可以使用 添加线或 添加点工具为空间初步划分添加一些点或线。在最后一个 节点上双击可以完成线的设定。 17 创建的多边形可以使用 多边形合并选项进行合并。 首先用 网格编辑器工具栏上 三个 选 择 工 具中 的 任何一 个 选 中两 个多 边 形，现 在 网 格 编 辑器 工 具栏上 的 多边 形合并选项已激活，单击此按钮两个多边形被合并。 图 4.6 多边形合并 4.4.3 坐标工 具栏 多边形节点也可以被准确定位。下一步，我们设计一个 100 m x 100 m 的正方形。按 下 添加多边形 按钮并按下 建。 坐标工具栏显示
37、。输入 0, 0 设定第一个节 点然后回车。 以相同方式输入多边形其它三个节点的左边。 再次输入第一个节点的坐标或 只是简单的单击该节点上便完成了多边形的绘制。 定位错误 的多边 形、 点 和线可以 删除。 用任 一 选择工具 单击所 要删 除 的空间特 征， 然后按下 键删除 。 当我们绘制一条线或一个多边形时节点位置定位错误，则我们可以单击该线或多边形 上的前一个节点以删除。 18 图 4.7 使用坐标工具栏 4.4.4 从地图 导入 空间初 步划 分 下一步，我们 从地图导 入空间初步划 分而不是 在屏幕上手动 绘制。在 地图面板双击 添加地图载入一幅地图。文件选择框 出现，选择以下文件
38、： model_area.shp sewage_treatment.shp waste_disposal.shp demo_wells.shp 现在这些地图显示在 地图面板的 ESRI Shape 文件列下。双击每幅地图的默认 图层 使地图在空间初步划分视图可见。图 4.8 显示了空间初步划分视图载入的地图。 图 4.8 空间初步划分视图 显示的地图 19 首先我们创建一个多边形用来表示整个模型区域 。 我们从模型区地图导入这个多边形。 右键单击打开地图的上下文菜单， 选择 转化为 空间初步划分多边形。 在 网格编辑 器工具栏单击 添加多边形按钮，我们可以看到导入的多边形。 除了这个多边形，我
39、们还想在空间初步划分中增加点用来表示两个井的位置。导入点 的 方 式与 导入 多边 形的方 式 完全 相同 。地 图 demo_wells 包 含井 的位置 。 右键 单击 该图 打 开上下 文菜 单并选 择 转化为 空 间初步 划分 点 。现在 空间 初步划 分视 图中两 个井 的位置 以红色的点显示。 最后一步，我们想在空间初步划分中包含两个污染源的位置。这次污染源的位置不能 从地图通过 转化为选项导入， 因为这样做会使多边形叠加。 替代的做法为分割已有多边 形 ， 把污 染源 位 置切 割出 来 。从 东面 的 污染 源开 始 。点 击 切 割 多边 形按 钮 并在 网 格编辑器工具栏的
40、下拉列表中选中地图废弃物处理场。我们可以使用锁定地图点的工具来 准确的数字化污染源位置。单击紧邻下拉列表右边的 锁定点按钮来激活锁定。 图 4.9 沿污染源分割多边 形 多边形分割必须从已有多边形的边线开始和终结。 由于污染源完全位于模型区的内部， 分离该污染源需要进行两次切割。从模型区边界任意一点开始，沿着污染源区域的一边切 割直至模型区的另一边( 见图 4.9) 。 沿着污染源 区域的另一边进行第二次切割完成该多边形 的分割。 以同样的方式创建第二个污染源多边形， 这次在 网格编辑器工具栏的下拉列 表中选择地图污水处理厂。 图 4.10 是一个空间初步划分创建示例。 20 图 4.10 完
41、成的空间初步 划分 5 有限单元网格 获取一个合适的模型空间域离散化 5.1 空间离散 本节介绍如何生成有限单元网格。模拟时在有限元网格每个节点计算然后在有限单元 内内插。网格越密，数值精度越高，计算量就越大。如果网格中包含很多不规则单元也会 带来数值计算困难。因此要特别注意有限单元网格的设计。在溶质运移模拟中 Peclet 准则 可以有助于确定所需网格密度。 为了创建规则的网格， FEFLOW 提 供了不同的辅助工具， 包括网格局部加密和稀疏。与之后的网格细分相比，生成网格时进行局部加密生成网格质 量较好。 21 图 5.1 优劣网格示例 5.2 网格生成过程 FEFLOW 支持支持或 三角
42、形或四边形有限元网格 。 单独的工具栏用来支持网格生成过 程。 根据输入的大致的有限单元数目生成网格。 每个多边形内网格密度可以单独进行编辑。 网格生成有多种不同算法，各有其特定选项和属性。有些算法可以考虑空间初步划分 中的线和点，允许在多边形边缘、点或线附近进行局部加密。 网格生成是一个典型的试错过程。 用户在此反复优化有限单元数量 、 属性设置和- 如果 有必要的话- 空间初步划分直到得到满意的网格为止。 5.3 网格生成算法 有很多不同的方法可以把复杂区域离散成三角形或四边形有限单元。由于各有优劣， FEFLOW 支持三种生 成三角网格和一种生成四边形网格算法。 5.3.1 Advanc
43、ing Front Advancing Front 是一 种不支持任何点或线的相对简单的三角网格算法。 如果存在， 网 格生成过程中会忽略这些点或线。该算法的主要优点是速度快，而且生成的有限单元非常 规整。 22 5.3.2 Gridbuilder Gridbuilder 由加拿大 沃 特卢大学的 Rob McLaren 研发- 是一种灵活 的三角剖分算法。 Gridbuilder 支持空间初 步划分中的点、 线和多 边形， 以及在点、 线和 多边形的边线附近 进 行局部加密。 5.3.3 Triangle Triangle 是美国加州大 学伯克利分校的 Jonathan Shewchuk 开
44、发的一 种三角剖分代码。 该算法非常快，支持非常复杂的由点、线和多边形构成的空间初步划分，允许指定要创建 的所有有限单元的最小角度，并提供空间初步划分中点或线附近局部网格加密。 FEFLOW 提供了方便 的 Triangle 算法接口， 算法可以从开发者的网站 免费下载。 请参 阅 FEFLOW 帮助系统 的详细介绍，以使 Triangle 算法在 FEFLOW 中可用。算法的使用基 于一份使用协议，该协议可以在 FEFLOW 软 件帮助系统和 Triangle 算法网站找到。 5.3.4 Transport Mapping Transport mapping 是 FEFLOW 中使用的生成
45、四边形单元的算法。使用该算法需要选 中网格菜单中的四角网格选项且所有空间初步划分多边形为四边形。生成四边形单元时空 间初步划分中的点和线特征被忽略。 5.4 网格编辑 在网格生成之后的任何时候，甚至参数赋值之后，都可以对有限单元网格进行编辑， 包括: 单元细分 网格稀疏( 前次加密之后) 把四边形单元分割为三角单元 整体网格平滑 网格形状工具栏包含所有的网格编辑功能。 5.5 3D 离散 FEFLOW 中基于层建 立 3D 模型。 三角或 四边形网网格扩展到 3D 生成棱柱形 3D 单 元。 在 FEFLOW 中， 所有水平向相邻的 3D 单元为一层， 而层面是垂向两个相邻层之间的 交界面或模
46、型区域的顶面或底面。所有网格节点位于层面上。 23 由一个 2D 模型扩展到 3D 模型通过 3D 层配置 对话框进行， 该对话框可以通过编辑菜 单访问。初始定义的层是水平的。每个节点的实际高程会 作为过程变量赋值，将在第 9 章 中介绍。 3D 模型中所有的层必须在整个水平模型区域内连续。 因此， 模型中 代表晶状体或挤压 地层的层也要连续并延伸到模型边界。通常情况下，为这些 层设定很薄的厚度，并赋予该 层之上或之下层的属性。 大多数情况下 3D 模型的建立基于水平网格的纵向延伸。但当模拟堤坝时，主要关注 纵向而非横向变化，这种情况下，可以纵向投影生成网格然后横向扩展。后一种情况下， FEF
47、LOW 的 Y 轴方向 与重力的方向相反，与 2D 剖面模型类似。 图 5.2 横向和纵向分层方 法 24 3D 层配置对话框还提供了从现有模型添加或删除层和改变层厚度等工具 。 新创建的层 属性可以很方便地从现有层的属性继承而得。 5.6 教程 5.6.1 工具 这个练习中所有的工具都在 网格生成器工具栏： 图 5.3 网格生成器工具栏 和 网格形状工具栏上： 图 5.4 网格形状工具栏 一些网格编辑选项需要 选择工具栏中的工具： 图 5.5 选择工具栏 5.6.2 网格生 成 5.6.2.1 三 角网 格 为了得到各种网格生成算法的实际操作经验，我们在同一个空间初步划分上应用三种 不同的网
48、格生成算法，并观察所生成的有限单元网格。 首先，点击 打开加载空间初步划分文件 mesh.smh 。空间初 步划分共包括两个多边 形，一条线和三个点特征。 从 Advancing Front 算法 开始，该算法可从 网格生成工具栏的算法列表选择。 在 输 入 字 段 输入 总 单 元 数 2000 ，点击 生 成 网 格 启 动 网 格 生 成 过 程 。 一 个 新 的 FEFLOW 层视图窗口 出现并显示生成的的有限元网格。 如图 5.7 所示，Advancing Front 忽略了空间初 步划分中的点和线特征。 25 现在， 在相同的空间初步划分用 Gridbuilder 算 法生成有限
49、元网格。 点击空间初步划分 视图使 网格生成工具栏再次可见。不做任何改变只需点击 生成网格。 图 5.6 空间初步划分 除了点、线和多边形的边线可以在网格中识别外，Gridbuilder 算法生 成的有限单元网 格与 Advancing Front 算法生成的网格相似。 下一步， 我们会在点或线特征附近加密网格。 加密的设置位于 网格生成工具栏的 生成器属性对话框。 图 5.7 Advancing Front 和 Gridbuilder 算法 26 打开对话框激活对三个几何特征的网格加密。 选择多边形边线细化等级为 5， 线条为 8 和点为 10。请确保在离开对话框前已激活应用到选定的多边形或线边缘选项。 可 以 通 过 点击 加 密 选 择并 返 回 到 空间 初 步划 分视 图 来 选 择要 细 化的 单元 。 点 击 线 条 和 两 个 多 边 形 的 边 线 ， 然 后 再 次 点 击 生 成 网 格 。 由 此 产 生 的 局 部 加 密 的 有 限 元 网 格 见图 5.7 。 接下来我们用 Triangle 算法生成有 限元网格。 从 网格生成器工具栏的算法列表选择 Triangle 。 打开 算法属
