[發明專利]一種基于內外模式的二、三維數學模型耦合模擬方法

有效

• 申請號: 202110785304.3
• 申請日: 2021-07-12
• 公開（公告）號: CN113486557B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 王建軍;王晨陽;楊云平;劉曉菲;張宏千
• 申請（專利權）人: 交通運輸部天津水運工程科學研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F17/12
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理有限公司 11562
• 代理人: 李娜

1.一種基于內外模式的二、三維數學模型耦合模擬方法，其特征在于，包括：

S1.獲取河段特征，基于河段特征，構建整體河段水沙模型及局部河段水沙模型，其中，整體河段水沙模型為二維水沙數學模型，局部河段水沙模型為三維水沙數學模型；

S2.獲取整體河段水沙模型的初始和邊界條件；

S3.基于整體河段水沙模型的初始和邊界條件，對整體河段水沙模型進行外模式計算，得到外模式計算結果，其中，外模式為對整體河段特征進行模擬計算；

S4.基于外模式計算結果，對局部河段水沙模型進行內模式計算，得到內模式計算結果，其中，內模式為對局部河段特征進行模擬計算；

S5.基于內模式計算結果，對整體河段水沙模型進行局部更新；

S6.重復步驟S3-步驟S5進行迭代計算直到滿足迭代條件，得到整體河段特征的模擬預測結果；采用內模式計算的每個試驗年末橋墩周圍和河床變形Δz_三維數據替換外模式計算得到的河床總的沖淤厚度η；

步驟S2中，獲取所述初始和邊界條件的具體步驟包括，

基于河段特征，獲取整體河段水沙模型的初始條件；

其中，初始條件包括但不限于x方向流速、y方向流速、懸移質含沙量、底沙量；

基于整體河段水沙模型的初始條件，獲取整體河段水沙模型的邊界條件；

其中，整體河段水沙模型的邊界條件包括上下游控制邊界條件、固壁條件、收斂控制條件；

其中，上、下游控制邊界條件：

上游進口條件：給定上游來流Q_in、沙量S_in和進口推移質輸沙率q_b，進口各點流速進口各控制點流速由下式迭代算出：

式中：U_j，h_j為進口計算網格點沿y方向流速和水深，dy_j為離散網格間距，V_j＝0；

下游出口條件：給定水位ζ_out；

固壁條件：

流速采用非滑移邊界條件，其邊壁流速給定為零，即U＝V＝0；對于含沙量S_i，底沙N_i計算中采用法向梯度為零條件：

收斂控制條件：

控制連續方程最大質量源b_max和通過各斷面流量Q_j，流速：水位：

步驟S4中，推移質運動對局部河床沖淤的影響計算：

其中，q_b為推移質輸沙率，ρ_sd為泥沙密度，ρ_w為水體密度，d₅₀為泥沙中值粒徑，f_s為泥沙修正系數，D_*為無量綱的泥沙粒徑系數，τ′_b為床面剪切力，τ_b,cr為床面泥沙起動臨界剪切力，γ為系數；相關參數具體計算公式如下：

D_*＝d₅₀[(s-1)g/υ²]^1/3

s＝ρ_s/ρ_w

τ_b,cr＝θ_cr(ρ_s-ρ_w)gd₅₀

τ′_b＝0.5ρ_wf_cu²

f_c＝8g[18log(12h/d₉₀)]^-2

其中，d_sand＝0.062mm，d_sand為泥沙中值粒徑參數，υ為水體運動粘性，f_c為水流產生的底部摩阻；

模型出口控制水位取長河段二維水沙模型計算各級流量時的水位ζ，模型進口控制流速U、V由長河段二維水沙模型計算得到，模型進口沙量S和推移質輸沙率q_b均由長河段二維水沙數學模型提供；

在通過推移質運動計算，得到河床變形之后，還包括對河床變形進行局部修正，具體步驟包括：

在通過推移質運動計算之后，對局部水沙模型進行網格掃描，基于掃描結果，對局部水沙模型進行局部調整，通過進行重復掃描及局部調整后，獲取最終的修正結果，并基于修正結果，對河床變形進行修正；

在數值模型中，對于非均勻沙的推移質不平衡輸移方程中推移質輸沙率計算結果進行局部修正；具體操作方法如下：根據泥沙模型計算完河床變形后，對床面網格進行掃描；每個時間步網格節點高程根據地貌模型調整后，判斷每個單元平面外法向方向與Z軸正向的夾角大小，當發現相鄰角點間的傾角大于泥沙休止角時，要進行局部調整，在掃描時發現角點A(x_A，y_A，z_A)和角點B(x_B，y_B，z_B)之間傾角大于休止角需要將較高的B點降至B′點，A點升A′點，使AB之間的傾角降到η_A、η_B表示如下：

式中，η_A、η_B分別為外模式中A、B點的河床沖淤變形；

對整個床面進行反復的掃描檢查直至床面上所有相鄰角點間的傾角均在休止角范圍內。