一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法，具体步骤为：收集河网各河段与各汊点的基本数据；建立汊点与相邻河段的拓扑关系；用有限体积法离散一维圣维南方程，对河网进行网格划分；采用龙格

【技术实现步骤摘要】
一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法


[0001]本专利技术属于水利工程
，具体涉及一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法。

技术介绍

[0002]河网是指由一系列河段相互连接形成的整体，河段和河段之间的连接点称为汊点，通常可根据河网的布设情况分为树状河网和环状河网。河网系统在实际工程中极为常见，如城市排水河网、灌溉排水渠道和自然河流系统等。对河网系统水动力过程进行数值模拟，是掌握河流水力条件的重要依据，河网水动力过程数值模拟也成为研究的热点与难点。
[0003]当前的一维河网非恒定流数学模型通常是以圣维南方程组为基础进行离散求解，对于差分格式的选择，主要有隐式差分和显式两种。现有模型为保证模拟稳定性多采用隐式差分对河网进行整体求解，以获取关键水力信息，但该方法在处理河段存在的急流或激波现象时，效果较差。显式差分法具有易于理解，便于编制计算程序的优点，并且随着数值模拟方法的完善，采用显示差分方法对河网水动力过程进行求解也被广泛应用。尤其是采用基于Godunov型有限体积法对河道洪水、地表漫流、溃坝成为研究的热点与难点。河网系统求解过程中，通常对各河段进行独立求解，对于河段所连接的汊点，则将其视为内边界条件。目前较为常用的方法有预测校正算法、特征线法等，上述方法都需要进行迭代计算，计算过程复杂，计算量大，运行效率低，准确率不高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法，解决了现有复杂河网水动力过程模拟存计算过程复杂，运行效率低，准确率不高的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法，具体按照如下步骤实施：
[0006]步骤1、收集整理河网网格的几何形状、断面长度等断面基本数据，以及断面材质便于确定糙率；
[0007]步骤2、确定汊点数量并编号，建立汊点与相邻河段的拓扑关系，确定各河段首末端对应的外边界条件或汊点编号；根据相邻河段的断面形状和断面长度建立汊点处的水位体积关系V
‑
Z；
[0008]步骤3、对各计算单元赋初值，设定河段的初始条件，如水位、流量等；根据汊点相邻单元的初始条件确定汊点处的初始水位与初始水量；
[0009]步骤4、设定模拟运行总时长，将当前时刻记为t时刻，采用Godunov格式的有限体积法离散一维圣维南方程对各独立河段进行离散；
[0010]步骤5、采用龙格
‑
库塔方法确定时间步长Δt，并使用CFL条件对时间步长进行限制，以保证计算稳定性；
[0011]步骤6、将汊点视为边界水位条件，采用MUSCL格式进行数值重构，使用HLL格式的
近似Riemann求解器计算界面通量，获取汊点邻近网格的通量；
[0012]步骤7、求解独立河段各网格单元的水面坡度源项和摩阻源项，并将各单元的水力要素更新至t+Δt时刻；
[0013]步骤8、通过步骤6中得到的通量，根据水量守恒方程对汊点处的水量进行更新，进而获取t+Δt时刻汊点的水位值；
[0014]步骤9、使t＝t+Δt对时间进行更新，重复步骤5～步骤8，直到模拟时间达到总时长；
[0015]步骤10、输出结果，获得各网格单元在各个时刻的水力要素值，输出过水断面流量、水深图。
[0016]本专利技术的特点还在于，
[0017]步骤2中，将汊点概化为具有蓄水作用的网格节点，根据相邻网格建立汊点处的水位体积关系，汊点处体积为相邻网格单元的网格体积的一半之和，计算表达式如下：
[0018][0019]式中，j为汊点编号；i为与汊点相邻的河段网格单元编号；k为与汊点j相邻的网格单元个数；V为汊点处的体积；B为水面宽度；Z为汊点处的水面高程；h
i
为网格单元的水深；dx为相邻河段网格单元的长度。
[0020]步骤4中，采用Godunov格式的有限体积法离散一维圣维南方程，方程形式为：
[0021][0022]其中，
[0023][0024]式中，D、U、F和S分别为河道断面、基本变量、通量和源项的矢量形式；t为时间；x为河段长度；B为水面宽度；Z为河道水面高度；Q为断面流量；g为重力加速度；S
f
为河床阻力，表达式为S
f
＝n2Q|Q|/A2R
4/3
；式中，n为曼宁系数，R为断面的水力半径。
[0025]步骤5中，时间步长Δt的计算方法为：
[0026][0027]式中，i为网格单元编号；dx
i
为网格单元的长度；u
i
为网格单元的流速；g为重力加速度，m/s2；h
i
为网格单元i中的水深；CFL取值范围为0～1，本专利技术中取0.5。
[0028]步骤6中，HLL格式的近似Riemann求解器计算界面通量表达式为：
[0029][0030]式中，S
L
和S
R
为网格单元左右两侧的波速；F
L
为左侧网格的通量，F
R
为右侧网格的通量，F(U
L
)为取界面左侧网格基本变量进行计算的通量，F(U
R
)为取界面右侧网格基本变量进行计算的通量，U
R
为界面右侧基本变量，U
L
为界面左侧基本变量。
[0031]步骤7中，水面坡度源项和摩阻源项分别采用底坡通量法与显隐式方法进行求解，以保证模拟的精度与计算效率。
[0032]本专利技术的有益效果是：本专利技术基于Godunov格式有限体积法，提出了适用于缓流、急流和临界流同时存在的复杂明渠水流数值模型，采用HLL黎曼(Riemann)求解器对河段通量进行计算。采用概化方法对汊点进行处理，通过构造汊点处的水位体积关系，应用水量守恒方程对汊点水位进行计算。本专利技术方法一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法，以实现对复杂明渠水动力过程的准确、高效模拟。通过对复杂明渠河段的复杂流动进行准确计算，汊点求解方法简单高效，无需迭代计算，计算流程清晰简单速度快，极大的降低了计算量，计算资源消耗少，具有重要的应用价值。
附图说明
[0033]图1是本专利技术一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法的流程图；
[0034]图2是本专利技术一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法的河网汊点示意图；
[0035]图3是本专利技术实施例1急缓流态交替的陡坡渠道算例中地形变化情况，以及模拟结果与精确结果对比过程图；
[0036]图4是本专利技术实施例2含有三条河段的简易河网算例布设图；
[0037]图5是本专利技术实施例2含有三条河段的简易河网算例中河段3距汊点4000m处的水位过程对比图。
具体实施方式
[0038]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0039]本专利技术一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、收集河网各河段与各汊点的基本数据，确定糙率；步骤2、确定汊点数量并编号，建立汊点与相邻河段的拓扑关系；步骤3、对各计算单元赋初值，设定河段的初始条件，根据汊点相邻单元的初始条件确定汊点处的初始水位与初始水量；步骤4、设定模拟运行总时长，将当前时刻记为t时刻，采用Godunov格式的有限体积法离散一维圣维南方程对各独立河段进行离散；步骤5、采用龙格
‑
库塔方法确定时间步长Δt，并使用CFL条件对时间步长进行限制，以保证计算稳定性；步骤6、将汊点视为边界水位条件，采用MUSCL格式进行数值重构，使用HLL格式的近似Riemann求解器计算界面通量，获取汊点邻近网格的通量；步骤7、求解独立河段各网格单元的水面坡度源项和摩阻源项，并将各单元的水力要素更新至t+Δt时刻；步骤8、通过步骤6中得到的通量，根据水量守恒方程对汊点处的水量进行更新，进而获取t+Δt时刻汊点的水位值；步骤9、使t＝t+Δt对时间进行更新，重复步骤5～步骤8，直到模拟时间达到步骤4中总时长；步骤10、输出结果，获得各网格单元在各个时刻的水力要素值，输出过水断面流量、水深图。2.根据权利要求1所述的一种基于汊点水量守恒的河网水动力过程模拟方法，其特征在于，所述步骤2中确定各河段首末端对应的外边界条件或汊点编号，根据相邻河段的断面形状和断面长度建立汊点处的水位体积关系V
‑
Z；建立汊点处的水位体积关系V
‑
Z时，将汊点概化为具有蓄水作用的网格节点，根据相邻网格建立汊点处的水位体积关系，汊点处体积为相邻网格单元的网格体积的一半之和，计算表达式如下：式中，j为汊点编号；i为与汊点相邻的河段网格单元编号；k为与汊点j相邻的网格单元个数；V为汊点处的体积；B为水面宽度；Z为汊点处的水面高程；h
i
为网格单元的水深；dx为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东来，侯精明，吕佳豪，荆海晓，王添，张大伟，王兴桦，高徐军，马越，姬国强，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：