[发明专利]多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法

权利要求书

1.一种多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，根据水库干支流实测断面地形划分干流断面滩槽节点，计算支流底坡J和水位库容关系V(z_s)；将模拟区域划分为一组控制体；

步骤(2)，求解浑水明流控制方程组，使用零维水库法和考虑底坡的异重流倒灌流量公式计算干支流倒回灌流量，具体步骤如下：

步骤(2.1)，根据下一时刻的边界条件以及当前时刻的地形和守恒变量U^m，计算各控制体交界面上的数值通量F；

步骤(2.2)，对于和支流相连的控制单元，使用零维水库法计算下一时刻水位及干支流倒回灌净单宽流量q_l，如果该控制单元位置还存在异重流，则用考虑底坡的异重流倒灌流量公式计算倒灌流量q_tl；对于不和支流相连的控制体，直接按显式离散格式计算得到

步骤(2.3)，完成浑水明流控制方程中第二分量流量、第三分量含沙量的计算得到U^m+1，更新后的河底高程z_b暂记为

步骤(3)，使用潜入判别条件判断异重流潜入位置；

从整个模拟区域的上游第一个断面位置开始，逐个计算每一控制体的U^m+1是否满足潜入判别条件，若满足则记录下断面号p，将明流段河底高程更新为进入步骤(4)；若所有断面位置的U^m+1均不满足潜入判别条件，则令整个计算域内m＝m+1，返回步骤(2)进行下一时段的计算；

步骤(4)，求解异重流控制方程组；

步骤(4.1)，将作为异重流段上游边界条件，计算异重流控制方程中的数值通量和源项；

步骤(4.2)，计算得到下一时刻的和i＝p+1,p+2,...,N，N为模拟区域内的断面个数，如果已经达到模拟的最终时刻，则进入步骤(5)，否则令m＝m+1，返回步骤(2)进行下一时段的计算；

步骤(5)，计算干支流冲淤量及水库排沙比。

2.根据权利要求1所述的多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法，其特征在于：

上述步骤(2)中，浑水明流控制方程组如下：

$\frac{\∂U}{\∂t}+\frac{\∂F}{\∂x}=S---\left(1\right)$

$U=\left[\begin{array}{c}A\\ Q\\ AC\end{array}\right],F=\left[\begin{array}{c}Q\\ Q^2/A\\ QC\end{array}\right],S=\left[\begin{array}{c}B(E-D)/(1-p)-q_l\\ M_w\\ B(E-D)-C_l{q}_l\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{M}_w=-\frac{{\mathrm{\ρ}}_b-\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}\left(1-\mathrm{\ρ}\right)}BU\left(E-D\right)-\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}{\mathrm{\ρ}}\left({\mathrm{Cq}}_l-C_l{q}_l\right)U+\\ gA(S_b-S_f)-gA\frac{\∂h}{\∂x}-{\mathrm{gh}}_c\frac{A}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂x}\end{array}---\left(3\right)$

$\frac{\∂A_b}{\∂t}=\frac{B(D-E)}{1-p}---\left(4\right)$

式中：t表示时间；x表示沿程距离；U是守恒变量；F是数值通量；S是源项；A是断面过流面积；Q是断面流量；C为体积比含沙量；B为水面宽度；E为床沙上扬通量；D为悬沙沉降通量；U是断面平均流速；ρ_w，ρ分别为清混水的密度；ρ_b为床沙饱和湿密度；ρ_s为泥沙颗粒密度；p为床沙的孔隙率；g为重力加速度；S_b为底坡；S_f为阻力坡度，其表达式为其中n_j为步骤(1)中指定的子断面糙率，A_j和R_j为子断面的面积和水力半径，NP表示某一断面上划分的子断面个数；h为水深；h_c为过流断面形心高度；q_l为干支流倒回灌净单宽流量，规定从干流到支流为正，C_l为与这部分流量对应的体积比含沙量；A_b表示基准高程以上的河床横断面面积；为冲淤导致的断面面积的变化速率。