[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

本發明公開一種基于內外模式的二、三維數學模型耦合模擬方法，包括，構建二維水沙數學模型及三維水沙數學模型；獲取初始和邊界條件，基于初始和邊界條件，通過二維水沙數學模型進行外模式計算，基于外模式計算結果，通過三維水沙數學模型進行內模式計算，基于內模式計算結果，對二維水沙數學模型進行局部更新；通過二維水沙數學模型及三維水沙數學模型的內外模式的耦合計算，得到整體河段特征的模擬預測結果。本發明實現長河段高精度的復雜邊界條件下河段特征的灘槽演變規律模擬預測，具有很強的實用性。

技術領域

本發明涉及河段模擬技術領域，特別涉及一種基于內外模式的二、三維數學模型耦合模擬方法。

背景技術

近幾十年來，人類活動的強烈干擾改變了河流自然輸沙過程、輸沙量和徑流的年內分配，灘槽原有的形態及其演變趨勢必然發生自適應調整，長江中下游原有的河勢演變規律將被打破，部分河段深泓擺動頻繁，河勢演變更趨復雜，灘槽的沖淤特征與沖淤量、床面形態等發生改變。

隨著長江干線過江通道建設數量逐漸增多，近10年建設的橋梁主橋墩均涉水，并處于活動的邊心灘區域。隨著橋梁建成時間的增長，橋墩周圍形成局部沖刷坑，改變洲灘形態，而河道形態調整又會對水沙輸移特性產生影響，使得未守護的洲灘演變規律和航道條件變化趨勢更為復雜。

處于沖淤平衡或接近平衡的自然河流，受到了建筑物的約束和控制，改變了水流的方向或流速的大小，或限制了原有淺灘的變形，則原有的平衡狀態被破壞，將引起有限范圍內的局部沖刷。如閘墩附近，樞紐下游，丁壩壩頭以及堤防工程的根部，護灘帶周圍等，都是容易發生局部沖刷的地方。長河段二維水沙數學模型在系統治理和上下游洲灘聯動規律模擬方面具有優勢，但橋墩或整治建筑物周圍具有明顯的三維水流特性，二維模型不能真實反映橋墩周圍極限沖刷深度，由于橋墩周圍床面形態模擬與實際情況不一致，進而影響橋區河段泥沙輸移規律的模擬精度。

近些年來隨著數學模型獲得了飛速的發展，三維模型在局部繞流沖刷研究中獲得了應用，并逐漸成為局部沖刷研究的重要手段之一，多名學者采用三維數學模型模擬了橋墩局部沖刷情況，得到了滿意的結果。

中下游河床沖淤多變，橋梁工程和航道整治工程的實施，形成了新的河勢約束邊界，進一步影響橋區河段淺灘形態及航道尺度。橋梁工程與航道工程耦合作用下形成了復雜的控制邊界條件，江中橋墩的存在一定程度上改變了泥沙輸移路徑，橋墩對于河床沖淤的影響長期存在，特別是周圍局部沖刷坑形成后，橋區河段邊心灘周期性變化規律將受到影響，導致現有模型對于河段特征的模擬結果不準確。

發明內容

為解決上述現有技術中所存在的對于河段特征模擬結果不準確的問題，本發明提供了一種基于內外模式的二、三維數學模型耦合模擬方法，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。

優選的，步驟S1中，構建整體河段水沙模型的具體過程包括，

基于河段特征，構建整體河段水沙模型的二維數學模型，并建立整體河段水沙模型的控制方程；