[發明專利]一種堰塞湖潰決過程模擬方法

在審

• 申請號: 202010189555.0
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111428401A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 黃衛;段文剛;黃國兵;史德亮;黃明海;李靜;韓松林;於思瀚
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 孔敏

1.一種堰塞湖潰決過程模擬方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一、采用完整水沙耦合控制方程描述堰塞湖潰口形成和發展過程，所述完整水沙耦合控制方程在傳統質量守恒方程和動量守恒方程中考慮泥沙輸移和河床變形對水流的影響，實現了水、沙和河床三者之間物理上的耦合，所述完整水沙耦合控制方程表達式如下：

式中，U為守恒量向量；F和G分別為x和y方向的對流通量向量，t為時間，x，y為空間坐標，S為源項向量；

步驟二、采用Huang et al.(2012)數值格式離散控制方程，即采用高精度MUSCL-TVD-HLLC格式的有限體積法求解所述完整水沙耦合控制方程，具體的，計算界面通量向量的變量采用MUSCL進行重構，并采用TVD算法對重構后的變量值進行限制，界面通量為黎曼通量，采用HLLC黎曼算子進行計算；

步驟三、通過局部地形修正和水深重構技術離散地形源項，使得通量計算和地形源項離散和諧；

步驟四、采用隱式方法離散阻力源項，使得阻力源項離散更為精確；

步驟五、采用簡單幾何方法處理重力坍塌模擬潰口展寬過程。

2.如權利要求1所述的堰塞湖潰決過程模擬方法，其特征在于：所述完整水沙耦合控制方程中：

式中，η為水面高程；h為水深；u，v分別為x和y方向的水流流速，c為泥沙的深度平均體積含沙量；

式中，g為重力加速度，可取9.8m/s²，z為河床高程；

式中，S_b為地形源項，S_f為阻力源項，和分別為S_b在x和y方向的河床坡度，S_fx＝-τ_bx/ρ,S_fy＝-τ_by/ρ分別為S_f在x和y方向的阻力；p₀為泥沙孔隙率；ρ_w和ρ_s分別為清水和泥沙的密度，ρ＝ρ_w(1-c)+ρ_sc為水沙混合體密度；ρ₀＝ρ_wp₀+ρ_s(1-p₀)為床沙飽和濕密度；n為曼寧糙率系數；E為上揚通量，D為沉降通量總量；

3.如權利要求2所述的堰塞湖潰決過程模擬方法，其特征在于：還提供關系式使方程組封閉，以求解控制方程中部分未知量，其中采用曼寧糙率公式計算床面剪切應力：

床面附近的水流與河床間泥沙交換包括兩種不同的機理，分別為由湍流作用引起的泥沙上揚和重力作用引起的泥沙沉降，沉降通量D和上揚通量E計算表達式分別為：

D＝αwc，E＝αwc_e (5a,b)

其中，α為近底含沙濃度與垂線含沙濃度差異系數，計算方法見Cao et al.(2011)，w為單顆粒泥沙靜水沉降速度，采用張瑞瑾公式進行計算，c_e為局部水流推移質飽和輸沙率，這里采用梅耶彼得-穆勒公式(1948)進行計算：

式中q_b為飽和推移質輸沙率，θ為希爾茲參數，θ_c為臨界希爾茲參數，梅耶彼得--穆勒公式取0.047。

4.如權利要求1所述的堰塞湖潰決過程模擬方法，其特征在于：

控制方程采用有限體積法進行求解，具體為

其中Δt為時間步長；Δx，Δy為空間步長；i,j為空間節點號；k為時間層；p表示通過公式(7)計算后的狀態；為p時刻守恒向量；F_i+1/2,j，G_i,j+1/2為界面通量向量。