[發(fā)明專利]多沙河流水庫(kù)渾水明流與異重流耦合模擬方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710138475.0
• 申請(qǐng)日: 2017-03-09
• 公開（公告）號(hào): CN106886652A
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏軍強(qiáng);王增輝;李潔;周美蓉;李濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 肖珍

1.一種多沙河流水庫(kù)渾水明流與異重流耦合模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟(1)，根據(jù)水庫(kù)干支流實(shí)測(cè)斷面地形劃分干流斷面灘槽節(jié)點(diǎn)，計(jì)算支流底坡J和水位庫(kù)容關(guān)系V(z_s)；將模擬區(qū)域劃分為一組控制體；

步驟(2)，求解渾水明流控制方程組，使用零維水庫(kù)法和考慮底坡的異重流倒灌流量公式計(jì)算干支流倒回灌流量，具體步驟如下：

步驟(2.1)，根據(jù)下一時(shí)刻的邊界條件以及當(dāng)前時(shí)刻的地形和守恒變量U^m，計(jì)算各控制體交界面上的數(shù)值通量F；

步驟(2.2)，對(duì)于和支流相連的控制單元，使用零維水庫(kù)法計(jì)算下一時(shí)刻水位及干支流倒回灌凈單寬流量q_l，如果該控制單元位置還存在異重流，則用考慮底坡的異重流倒灌流量公式計(jì)算倒灌流量q_tl；對(duì)于不和支流相連的控制體，直接按顯式離散格式計(jì)算得到

步驟(2.3)，完成渾水明流控制方程中第二分量流量、第三分量含沙量的計(jì)算得到U^m+1，更新后的河底高程z_b暫記為

步驟(3)，使用潛入判別條件判斷異重流潛入位置；

從整個(gè)模擬區(qū)域的上游第一個(gè)斷面位置開始，逐個(gè)計(jì)算每一控制體的U^m+1是否滿足潛入判別條件，若滿足則記錄下斷面號(hào)p，將明流段河底高程更新為進(jìn)入步驟(4)；若所有斷面位置的U^m+1均不滿足潛入判別條件，則令整個(gè)計(jì)算域內(nèi)m＝m+1，返回步驟(2)進(jìn)行下一時(shí)段的計(jì)算；

步驟(4)，求解異重流控制方程組；

步驟(4.1)，將作為異重流段上游邊界條件，計(jì)算異重流控制方程中的數(shù)值通量和源項(xiàng)；

步驟(4.2)，計(jì)算得到下一時(shí)刻的和i＝p+1,p+2,...,N，N為模擬區(qū)域內(nèi)的斷面?zhèn)€數(shù)，如果已經(jīng)達(dá)到模擬的最終時(shí)刻，則進(jìn)入步驟(5)，否則令m＝m+1，返回步驟(2)進(jìn)行下一時(shí)段的計(jì)算；

步驟(5)，計(jì)算干支流沖淤量及水庫(kù)排沙比。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多沙河流水庫(kù)渾水明流與異重流耦合模擬方法，其特征在于：

上述步驟(2)中，渾水明流控制方程組如下：

$\frac{\∂U}{\∂t}+\frac{\∂F}{\∂x}=S---\left(1\right)$

$U=\left[\begin{array}{c}A\\ Q\\ AC\end{array}\right],F=\left[\begin{array}{c}Q\\ Q^2/A\\ QC\end{array}\right],S=\left[\begin{array}{c}B(E-D)/(1-p)-q_l\\ M_w\\ B(E-D)-C_l{q}_l\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{M}_w=-\frac{{\mathrm{\ρ}}_b-\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}\left(1-\mathrm{\ρ}\right)}BU\left(E-D\right)-\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}{\mathrm{\ρ}}\left({\mathrm{Cq}}_l-C_l{q}_l\right)U+\\ gA(S_b-S_f)-gA\frac{\∂h}{\∂x}-{\mathrm{gh}}_c\frac{A}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂x}\end{array}---\left(3\right)$

$\frac{\∂A_b}{\∂t}=\frac{B(D-E)}{1-p}---\left(4\right)$

式中：t表示時(shí)間；x表示沿程距離；U是守恒變量；F是數(shù)值通量；S是源項(xiàng)；A是斷面過流面積；Q是斷面流量；C為體積比含沙量；B為水面寬度；E為床沙上揚(yáng)通量；D為懸沙沉降通量；U是斷面平均流速；ρ_w，ρ分別為清混水的密度；ρ_b為床沙飽和濕密度；ρ_s為泥沙顆粒密度；p為床沙的孔隙率；g為重力加速度；S_b為底坡；S_f為阻力坡度，其表達(dá)式為其中n_j為步驟(1)中指定的子斷面糙率，A_j和R_j為子斷面的面積和水力半徑，NP表示某一斷面上劃分的子斷面?zhèn)€數(shù)；h為水深；h_c為過流斷面形心高度；q_l為干支流倒回灌凈單寬流量，規(guī)定從干流到支流為正，C_l為與這部分流量對(duì)應(yīng)的體積比含沙量；A_b表示基準(zhǔn)高程以上的河床橫斷面面積；為沖淤導(dǎo)致的斷面面積的變化速率。