[發(fā)明專利]一種河網(wǎng)中堰閘工程反向水流的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2019-05-29
• 公開（公告）號: CN110210109B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張念強(qiáng);李娜;王艷艷;王靜;丁志雄;韓松;徐衛(wèi)紅;王杉;俞茜;萬金紅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國水利水電科學(xué)研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 北京馳納智財知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11367
• 代理人: 張瑜

本發(fā)明提供一種河網(wǎng)中堰閘工程反向水流的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，其中方法包括獲取水流數(shù)據(jù)，還包括以下步驟：判斷過堰閘的水流流態(tài)和過流類型。本發(fā)明提出的一種河網(wǎng)中堰閘工程反向水流的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，在采用四點偏心隱格式差分方法求解預(yù)定義流向的河道或河網(wǎng)時，針對平原河網(wǎng)地區(qū)最為常見的寬頂堰和平板式閘門，提供了過堰閘反向水流的計算方法，針對過堰閘反向水流的閘門關(guān)閉（有閘門控制時）、自由出流、淹沒出流時的三種水流流態(tài)，按照堰流公式或孔流公式，通過泰勒級數(shù)展開，采用一階近似的方式，獲取了反向水流時追趕方程的求解系數(shù)，實現(xiàn)了對堰閘水流的數(shù)值模擬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水力學(xué)模擬的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種河網(wǎng)中堰閘工程反向水流的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

針對河網(wǎng)中存在堰閘(堰和閘)等工程時的水流模擬，在洪水分析模型中一般預(yù)先定義河道流向，如圖3所示，默認(rèn)水流方向為由上游流至下游。此時，針對堰閘工程，為模擬過堰閘水流，需要指定堰閘上水位、堰頂高程、堰閘下水位、閘門開啟度等相關(guān)參數(shù)，如圖4所示。理論上，當(dāng)堰閘上水位高于堰閘下水位時，水流將由堰閘上游流向堰閘下游，即按照預(yù)定義的河道流向流動；同理，當(dāng)堰閘上水位低于堰閘下水位時，水流將由堰閘下游流向堰閘上游，即按照預(yù)定義的河道流向的反方向流動。如果堰閘處建有閘門控制水流，需要根據(jù)閘門的開啟度，判斷過堰閘水流是否受閘門影響，而區(qū)分為按堰流公式計算和按閘孔公式計算兩種類型，如果堰閘處無閘門，則按堰流公式計算。

在我國平原河網(wǎng)地區(qū)，過堰閘水流，尤其是過堰水流的雙向流動非常普遍，此類區(qū)域受上游流域洪水、海潮的綜合影響，河道或河網(wǎng)中的水流無固定流向，頻繁出現(xiàn)正向和反向流動的往復(fù)情況，對河網(wǎng)中這種過堰閘水流的模擬非常必要。

在采用四點偏心隱格式差分方法求解圣維南方程組，計算河網(wǎng)洪水時，在堰閘位置，水流出現(xiàn)間斷，圣維南方程組不再適應(yīng)，因此，需要對追趕方程進(jìn)行特殊處理。

在2013年第5期的應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報上刊登了冶運濤、黑鵬飛、梁犁麗等的文章《流域水量調(diào)控非恒定流數(shù)值計算模型》，對過堰閘的正向水流，采用了泰勒級數(shù)展開的方法，嘗試推導(dǎo)了堰流和孔流的計算公式。

在2010年第3期的水動力學(xué)研究與進(jìn)展雜志上刊登了姜恒志、汪守東的《具有堰的環(huán)狀河網(wǎng)中追趕系數(shù)的新求法》采用了泰勒級數(shù)展開的方法提出了過堰正向水流的計算公式。

在2015年第5期的水動力學(xué)研究與進(jìn)展雜志上刊登了劉芹、方國華、孫洪濱的《環(huán)狀河網(wǎng)堰閘過流追趕系數(shù)計算方法研究》，提出了利用泰勒級數(shù)展開的方法計算過堰正向水流的公式，并與采用替代法的計算公式進(jìn)行比較。

上述相關(guān)研究均針對過堰閘的正向水流展開，并且部分文獻(xiàn)中對孔流過流并未涉及，另外，由于采用隱格式計算時，河網(wǎng)的上、下游需要預(yù)先確定，利用上述方法無法計算過堰閘的反向水流。

除隱格式計算河網(wǎng)洪水時，采用顯格式也可求解圣維南方程組，過堰閘水流計算較為簡單，但顯格式求解河網(wǎng)洪水時，是條件穩(wěn)定的，時間步長太大容易引起方程的不收斂，即時間步長受限制。而隱格式是無條件收斂的，因此，采用隱格式求解河網(wǎng)問題應(yīng)用更為廣泛。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種河網(wǎng)中堰閘工程反向水流的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，在采用四點偏心隱格式差分方法求解預(yù)定義流向的河道或河網(wǎng)時，針對平原河網(wǎng)地區(qū)最為常見的寬頂堰和平板式閘門，提供了過堰閘反向水流的計算方法，針對過堰閘反向水流的閘門關(guān)閉(有閘控制時)、自由出流、淹沒出流時的三種水流流態(tài)，按照堰流公式或孔流公式，通過泰勒級數(shù)展開，采用一階近似的方式，獲取了反向水流時追趕方程的求解系數(shù)，實現(xiàn)了對過堰閘反向水流的模擬。

本發(fā)明的第一目的是提供一種河網(wǎng)中堰閘工程反向水流的數(shù)值模擬方法，包括獲取水流數(shù)據(jù)，還包括以下步驟：

判斷過堰閘的水流流態(tài)和過流類型。

優(yōu)選的是，所述方法還包括判斷堰閘類型，所述堰閘類型為內(nèi)河道堰閘或外河道堰閘。