[發(fā)明專利]一種基于數(shù)字孿生的長河段灘槽演變預(yù)測方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110872271.6
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113536643B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊云平;王建軍;郭陽;趙維陽;王晨陽;張宏千
• 申請（專利權(quán)）人: 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;E02B3/00;G06F113/08;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 杜陽陽

1.一種基于數(shù)字孿生的長河段灘槽演變預(yù)測方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

構(gòu)建長河段的二維水沙數(shù)學(xué)模型和長河段內(nèi)的局部橋區(qū)的局部正態(tài)物理模型；

根據(jù)第i年的年初的水文數(shù)據(jù)，采用離散方法求解所述二維水沙數(shù)學(xué)模型，獲得第i年年末的水流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和河床沖淤厚度數(shù)據(jù)，所述水流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括x方向流速、y方向流速、懸移質(zhì)含沙量和水位；

基于所述第i年年末的水流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采用局部正態(tài)物理模型進(jìn)行局部模擬實(shí)驗(yàn)，獲得第i年的局部橋區(qū)的模擬形變量；

利用第i年的局部橋區(qū)的模擬形變量替換河床沖淤厚度數(shù)據(jù)中的局部橋區(qū)的河床沖淤厚度，得到第i年年末的替換后的河床沖淤厚度數(shù)據(jù)；

將第i年年末的水流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和第i年年末的替換后的河床沖淤厚度數(shù)據(jù)，作為第i+1年年初的水文數(shù)據(jù)，令i的數(shù)值增加1，返回步驟“根據(jù)第i年的年初的水文數(shù)據(jù)，采用離散方法求解所述二維水沙數(shù)學(xué)模型，獲得第i年年末的水流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和河床沖淤厚度數(shù)據(jù)”，直到到達(dá)預(yù)測年份。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字孿生的長河段灘槽演變預(yù)測方法，其特征在于，所述離散方法包括有限體積法、有限差分法和/或有限元法。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字孿生的長河段灘槽演變預(yù)測方法，其特征在于，所述二維水沙數(shù)學(xué)模型包括：

水流連續(xù)方程：

X方向和Y方向水流運(yùn)動(dòng)方程：

懸沙不平衡輸運(yùn)方程：

推移質(zhì)不平衡輸移方程：

其中，ζ為水位，t為時(shí)間，h為靜水深，u、v為流速矢量沿X、Y方向的分量，g為重力加速度，ν_e為水流紊動(dòng)黏性系數(shù)，c為謝才系數(shù)，f為科氏參量，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，為地理緯度，ρ為水密度；S_i為單位水體垂線平均含沙量，s＝ρ_sc，c為單位水體體積濃度，ρ_s為含沙密度；ν_t和σ_S分別為第一Schmidt數(shù)和第二Schmidt數(shù)；ω_S為泥沙沉速，下標(biāo)i表示第i組泥沙，Φ_s為泥沙擴(kuò)散通量，N_i、分別為推移質(zhì)輸沙量和推移質(zhì)輸沙能力折算成相應(yīng)水深的泥沙濃度，β_i為推移質(zhì)泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)，ω_si為第i組泥沙的沉速，H為水深，H＝h+ζ。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于數(shù)字孿生的長河段灘槽演變預(yù)測方法，其特征在于，所述二維水沙數(shù)學(xué)模型的邊界條件包括：

上游進(jìn)口條件：

下游出口條件：ζ_j2＝ζ_out；

固壁條件：U_j3＝V_j3＝0，

收斂控制條件：

其中，Q_in(t)表示上游來流量，ξ為水位，U_j1和V_j1分別表示上游進(jìn)口控制點(diǎn)j1在x方向和y方向的速度，h_j1表示上游進(jìn)口控制點(diǎn)j1處的靜水深，dy_j1為離散網(wǎng)格間距，α_j1為動(dòng)能修正系數(shù)，ζ_j2為下手出口控制點(diǎn)j2的水位，ζ_out表示給定出口水位，U_j3和V_j3分別表示固壁的控制點(diǎn)j3在x方向和y方向的速度，S_j3為固壁的控制點(diǎn)j3處的含沙量，N_j3為固壁的控制點(diǎn)j3處的底沙，為梯度值，b_max為最大質(zhì)量源，Q_j表示控制點(diǎn)j的斷面流量，表示第n次迭代運(yùn)算時(shí)控制點(diǎn)j和控制點(diǎn)j’之間的x方向的速度差，表示第n次迭代運(yùn)算時(shí)控制點(diǎn)j和控制點(diǎn)j’之間的水位差，表示第n+1次迭代運(yùn)算時(shí)控制點(diǎn)j和控制點(diǎn)j’之間的x方向的速度差，表示第n+1次迭代運(yùn)算時(shí)控制點(diǎn)j和控制點(diǎn)j’之間的水位差。