[發(fā)明專利]復雜河網分流的數值模擬方法

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• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107436977A
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設計）人: 吳堯;吳門伍;杜靜;盧陳;高時友;涂向陽;佟曉蕾;楊裕桂;袁菲
• 申請（專利權）人: 珠江水利委員會珠江水利科學研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳市壹品專利代理事務所(普通合伙)44356
• 代理人: 鄧榮,徐文軍

技術領域

本發(fā)明涉及復雜河網流場數值模擬的技術領域，尤其是涉及具有多汊道的復雜河網流量分配的數值模擬。

背景技術

世界范圍內許多大型河流，比如尼羅河、湄公河、密西西比河和珠江等河流進入下游河口區(qū)往往都會出現河道分汊現象，從而發(fā)育成形態(tài)復雜的河網。這些河網由眾多的分汊河道和汊口組成，水流在某一支汊的運動，都對河網的整體有“牽一發(fā)而動全身”的影響。由于河網多位于河口地區(qū)，它不僅受到上游徑流的作用，而且還受到外海潮汐的影響，使得河網中的動力作用十分復雜。

分汊河道的流量分配一直是河流動力學研究中的經典問題。它關系到泥沙、營養(yǎng)物及污染物等入海物質通量的分配，從而影響下游河道的生態(tài)系統和相關的航道、橋梁工程。而復雜河網中流量分配則涉及到更多的影響因素和更復雜的作用機制，十分值得探討。

本發(fā)明擬針對具有復雜河網的珠江河口，建立整體的平面二維數值模型，模擬在徑流和潮汐作用下，河網內的流量分配過程。區(qū)別以往的分流比系數，本發(fā)明引入分流不均勻系數用來衡量流量分配的不均勻性。并選取河網中多個主要河道的分汊口，計算一系列的流量不均勻系數，定量研究河網分流特征。克服了對復雜河網分流研究的難點，以期對河網中物質通量分配和河口區(qū)洪水、咸潮入侵等災害研究提供參考。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供的復雜河網分流的數值模擬方法，旨在建立一種在徑流和潮汐共同作用下河網的平面二維數值模型，引入分流不均勻系數描述河網流量分配的不均勻性，克服現今對復雜河網分流研究的不足。

本發(fā)明是這樣實現的，利用二維非恒定淺水方程組，搭建四邊形網格與三角形網格混交的網格體系并用有限體積法進行離散，從而建立復雜河網的平面二維水流數學模型，模擬河網中實際的水流運動特征；利用實測資料率定模擬結果，確定模型的相關參數；隨后引入分流不均勻系數衡量流量分配特征，計算河網中多個分汊節(jié)點的分流不均勻系數。

進一步地，所述二維非恒定淺水方程組為：

式中：η為水位；h為靜水深；t為時間；x、y、z為右手笛卡爾坐標系；u、v為流速在x、y方向上的分量；P_a為當地氣壓；ρ為水密度，ρ₀為參考水密度；為科氏力；和為地球自轉引起的加速度；S_xx、S_xy、S_yx、S_yy為輻射應力在各方向的分量；τ_sx、τ_sy、τ_bx、τ_by為水面與河床邊界水流切應力；T_xx、T_xy、T_yx、T_yy為水平黏滯應力；S為源匯項；u_s、v_s為源匯項水流流速。

進一步地，所述四邊形網格設置在河道中，所述三角形網格設置在河道相交處及河口外的海濱區(qū)。

進一步地，所述分流不均勻系數為ψ，其計算方程式為：

式中：ψ為分流不均勻系數；<Q>為潮周期平均流量，1、2下標分別代表兩個支汊河道。

與現有技術相比，本發(fā)明提供的復雜河網分流的數值模擬方法，通過建立復雜河網的平面二維水流數學模型，模擬河網中實際的水流運動特征，并利用實測資料率定模擬結果，確定模型的相關參數，隨后引入分流不均勻系數衡量流量分配特征，計算河網中多個分汊節(jié)點的分流不均勻系數，這樣，不僅避免了一維模型在空間上的局限性和三維模型計算時間成本過大問題，而且克服了多維耦合模型在銜接中出現質量及動量局部不守恒現象的出現。

本發(fā)明具有的有益效果：

1、充分考慮復雜河網中各個汊道之間的相互影響，精確地計算復雜河網中多汊口的分流情況，從而研究河網中的分流特征。

2、適用于在徑流和潮汐共同作用下的三角洲河網地區(qū)，引入分流不均勻系數有利于分離潮汐作用對分流的影響。

3、適用范圍廣，對不同地形和不同動力條件下的河網普遍適用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的復雜河網分流的數值模擬方法的平面二維水流數學模型范圍和河網區(qū)網格的示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的復雜河網分流的數值模擬方法的平面二維水流數學驗證模型的水位站點位置圖及汊口位置示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的復雜河網分流的數值模擬方法的部分站點的分潮振幅驗證圖。