[發明專利]一維水動力模型和二維水動力模型的耦合方法及系統

在審

• 申請號: 202011134216.9
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112257352A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 夏潤亮;李濤;王敏;金錦;朱敏;劉啟興;李斌;俞彥;楊無雙;馮興凱;李冰;吳丹;郝臻;薛陽茹;焦莉華
• 申請（專利權）人: 黃河水利委員會黃河水利科學研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/13
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產權代理有限責任公司 11471
• 代理人: 譚承世

1.一種一維水動力模型和二維水動力模型的耦合方法，其特征在于，包括：

構建一維水動力模型；所述一維水動力模型包括一維河網水流數學模型；

構建二維水動力模型，用于模擬地表二維淺水流動；

根據所述一維水動力模型和二維水動力模型，針對多種河流斷面形態進行對應的一二維水動力模型耦合方式。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述一維河網水流數學模型，包括：

采用圣維南方程組作為河道非恒定流控制方程，包括水流連續方程和水流運動方程：

水流連續方程：

水流運動方程：

其中，x為里程(m)；t為時間(s)；Z為水位(m)；B為過水斷面水面寬度(m)；Q為流量(m³/s)；q為側向單寬流量(m²/s)，正值表示流入，負值表示流出；A為過水斷面面積(m²)；g為重力加速度(m/s²)；u為斷面平均流速；β為校正系數；R為水力半徑；c為謝才系數，n為曼寧糙率系數。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述二維水動力模型，包括：

連續性方程為：

x方向動量方程為：

y方向動量方程為：

其中，u、v分別為x、y方向的垂向平均速度；z為水面高程；h為水深；f為科氏力系數f＝2Ωsinθ，Ω為地球旋轉的角頻率，θ為當地的緯度；γ_i為紊動黏性系數；ρ_a和ρ_ω分別是空氣和水密度；f_ω為風應力系數；ω_x、ω_y分別為x、y方向的風速。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述二維湖泊水動力模型采用非正交交錯網格，利用有限體積法對方程進行離散，其中對流項采用迎風格式處理，對連續性方程與動量方程離散得到：

采用SIMPLE正交算法，獲得自由表面η校正方程和速度修正方程，即

η校正方程：

速度修正方程：

其中，a_P、a_nb均為系數；d_P和d_nb均為離散系數；和η′_p是猜想值。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，一二維水動力模型耦合方式包括：

側向耦合、重疊耦合、邊界搭接耦合。

6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述側向耦合的耦合過程包括：

利用一維水動力學模型模擬洪水在主槽內的演進，求在主槽內各大斷面的水位Z和流量Q，并把計算結果按距離內插到各大斷面間四邊形網格形心處；

比較主槽內四邊形網格形心處的水位、灘唇高程和相鄰灘地三角形網格形心高程，利用二維水動力學模型計算主槽與灘地間的水量交換，得到灘槽交換量；

根據灘槽交換量計算主槽單位寬度進出流量q1，將q1作為下時刻主槽計算的旁側流量進行灘槽耦合計算。

7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，將一、二維模型區域延長一段重疊段求解，在一維計算水域的邊界處和二維計算水域的邊界處形成虛擬重疊區域；

設U＝[Z，Q]為一維計算區內的物理量：水位、流量；V為二維計算區相應的物理量；C為Courant數，所述重疊耦合的耦合過程包括：

一維計算區虛擬邊界的時間滯后條件取為ΔUn+1＝0；

求解一維隱格式，得到各水力要素在二維真實邊界點處的時間精確解，若時間步長不等，則在一維計算時間步長內插值得到物理量，并作為二維計算的邊界條件；其中，所述一維隱格式包括虛節點在內；

虛擬重疊區域的投影，即將二維計算得到的精確解投影到一維虛擬點上，Un-+i1+1＝Vnk+1，i＝1，2，…，C；其中，k為二維計算區對應物理量的下標；

重復上述步驟，直至計算結束。