[發(fā)明專(zhuān)利]一種河湖一維與平面二維水動(dòng)力模型深度耦合方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210071934.9
• 申請(qǐng)日: 2022-01-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114492238A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡德超;李凌云;蔣志強(qiáng);龍瑞;鄧春艷;黃仁勇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院;華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/28
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/28;G06F30/23;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 武漢楚天專(zhuān)利事務(wù)所 42113
• 代理人: 胡盛登

本申請(qǐng)涉及一種河湖一維與平面二維水動(dòng)力模型深度耦合方法，包括以下具體步驟：步驟1：將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為若干個(gè)一維分區(qū)和若干個(gè)二維分區(qū)；步驟2：得到一維模型的計(jì)算網(wǎng)格；步驟3：得到二維模型的計(jì)算網(wǎng)格；步驟4：實(shí)現(xiàn)一維分區(qū)與二維分區(qū)的降維連接；步驟5：建立隱式一維與二維模型的深度耦合模擬系統(tǒng)，進(jìn)行計(jì)算區(qū)域內(nèi)部各個(gè)一維分區(qū)與二維分區(qū)的深度耦合計(jì)算；步驟6：將各個(gè)一維分區(qū)、二維分區(qū)的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)存于硬盤(pán)上，并顯示在電腦屏幕上對(duì)用戶(hù)進(jìn)行反饋。本申請(qǐng)克服了不同維度計(jì)算網(wǎng)格之間的差異，實(shí)現(xiàn)了一維分區(qū)和二維分區(qū)的平順連接，解決了以往同類(lèi)耦合計(jì)算方法在耦合界面處模擬精度不高的缺陷及其不良影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)屬于水利模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及用于模擬河湖自由表面水流的一維與平面二維水動(dòng)力模型的耦合方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的河湖自由表面水流一維水動(dòng)力(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“一維”)模型與平面二維水動(dòng)力(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“二維”)模型的耦合計(jì)算方法大致包括淺度耦合、中度耦合、深度耦合三個(gè)類(lèi)別。

淺度耦合計(jì)算方法是指：使用一維模型獨(dú)立開(kāi)展大范圍水域模擬，得到特定斷面的水文信息(流量、水位等隨時(shí)間的變化過(guò)程)；然后，以這些特定斷面為界圈定平面水域，并使用一維模型提供的斷面水文信息作為邊界條件開(kāi)展二維模型的獨(dú)立計(jì)算和精細(xì)模擬，獲取平面水域的水動(dòng)力細(xì)節(jié)。

中度耦合計(jì)算方法，即通常所說(shuō)的嵌套模型方法，是指：以一維、二維模型已取得的計(jì)算結(jié)果作為不同維度計(jì)算區(qū)域耦合界面(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“耦合界面”)的邊界條件，通過(guò)互相提供邊界條件的方式，實(shí)現(xiàn)不同維度模型的同步計(jì)算。嵌套模型的主要缺點(diǎn)為：其一，在耦合界面處，并沒(méi)有像在單個(gè)計(jì)算分區(qū)內(nèi)部那樣完整地進(jìn)行控制方程各物理項(xiàng)的計(jì)算；其二，不同維度模型之間一般為顯式銜接，以時(shí)間步長(zhǎng)為間隔互相提供一次邊界條件，并未實(shí)現(xiàn)各模型之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換與互饋計(jì)算；其三，對(duì)耦合界面處的流向缺乏考慮，使耦合模型常常難以準(zhǔn)確模擬出耦合界面處的往復(fù)流。從本質(zhì)上講，現(xiàn)有的嵌套模型大多僅實(shí)現(xiàn)一種松散耦合，其中的不同維度的模型并未真正融合成為一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)整體計(jì)算精度產(chǎn)生不良影響或在耦合界面處容易失穩(wěn)。

深度耦合計(jì)算方法，它與中度耦合計(jì)算的主要區(qū)別在于：深度耦合進(jìn)一步開(kāi)展跨越不同維度模型交界面的計(jì)算，即在耦合界面處求解控制方程中的關(guān)鍵物理項(xiàng)，在單個(gè)計(jì)算時(shí)步內(nèi)進(jìn)行不同維度模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換與互饋計(jì)算，實(shí)現(xiàn)不同維度模型之間的隱式銜接。當(dāng)一維、二維模型采用顯格式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，它們的耦合計(jì)算十分直接、穩(wěn)定性也不高，因而討論顯式一維、二維模型深度耦合計(jì)算的意義不大。相比之下，隱式一維、二維模型深度耦合計(jì)算，一般具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性。因而，隱式模型才是深度耦合計(jì)算方法的研究對(duì)象，而隱式模型的耦合計(jì)算一般較復(fù)雜，相關(guān)研究還不多。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)實(shí)施例的目的在于提供一種河湖一維與平面二維水動(dòng)力模型深度耦合方法，解決目前同類(lèi)的一維與二維模型耦合方法存在的模擬精度不高、穩(wěn)定性差等缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┤缦录夹g(shù)方案：

本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種河湖一維與平面二維水動(dòng)力模型深度耦合方法，包括以下具體步驟：

步驟1：將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為若干個(gè)一維分區(qū)和若干個(gè)二維分區(qū)；

步驟2：對(duì)于各個(gè)一維分區(qū)，采用具有實(shí)測(cè)地形的計(jì)算斷面與斷面間距的方式進(jìn)行剖分，得到一維模型的計(jì)算網(wǎng)格；

步驟3：對(duì)于各個(gè)二維分區(qū)，采用三角形或四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行剖分，并使用實(shí)測(cè)散點(diǎn)地形插值網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)地形，得到二維模型的計(jì)算網(wǎng)格；

步驟4：在耦合界面處，基于二維單元隊(duì)列構(gòu)造降維單元，定義位于各個(gè)分區(qū)外側(cè)的影子單元，實(shí)現(xiàn)一維分區(qū)與二維分區(qū)的降維連接；

步驟5：建立隱式一維與二維模型的深度耦合模擬系統(tǒng)，將計(jì)算區(qū)域內(nèi)非恒定水流的計(jì)算分為若干計(jì)算時(shí)步，在時(shí)間軸上逐步向前推進(jìn)，在每個(gè)計(jì)算時(shí)步，加載整個(gè)計(jì)算區(qū)域的外部開(kāi)邊界條件，進(jìn)行計(jì)算區(qū)域內(nèi)部各個(gè)一維分區(qū)與二維分區(qū)的深度耦合計(jì)算；