[发明专利]多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体的说是多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法。

背景技术

水库异重流是多沙河流水库泥沙管理中引起普遍关注的问题。在水库设计或运用阶段对异重流问题考虑不足有可能影响其正常运转甚至减损水库寿命。目前对于水库异重流在动力学机制上仍有认识不足，模型发展现状还不能满足实际工程需要。此外在水库调水调沙过程中，浑水明流段的水沙运动对于异重流的形成和运动有重要影响，在此种情况下对整个库区的水沙运动进行数值模拟存在很大的挑战。

现有异重流模型通常分为解析异重流模型、一维和平面二维异重流模型，以及立面二维和三维异重流模型。

解析异重流模型只能对于无交界面掺混和无床面泥沙交换的理想情况给出近似解。目前解析模型的研究成果只能用于规则断面形态下，具有特定上游边界条件下(即总体积固定和恒定入流两种情况)的异重流传播计算。立面二维和三维异重流模型可以模拟出流速、含沙量沿垂向的不均匀分布。这类模型构建时大部分涉及到紊流封闭，也有一部分使用直接数值模拟。由于目前对于紊动现象的理解不足，不同的学者提出了许多紊流模式理论，相应的模型对于同一异重流过程给出的预测结果差异很大。此外立面二维和三维异重流模型计算成本很高，大部分应用仍局限于对水槽实验过程的模拟。

一维和平面二维异重流模型是在对Navier-Stokes方程深度平均的基础上得来的，虽然不能求解水沙要素的垂向分布，但是计算速度快且能够确定工程应用中关心的传播速度、冲淤量等问题。传统的一维和平面二维异重流模型由于不考虑明流段与异重流段水沙运动的耦合关系，只能用于模拟潜入点下游的异重流传播过程而很难模拟异重流的产生。另一方便对于库区存在支流的多沙河流水库，现有的模型没有考虑干支流倒回灌的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法，能预测水库异重流的形成时间和潜入位置，以及异重流发生期间明流段和异重流段的水沙输移过程，干支流倒回灌过程，水库排沙比等，为可持续的水库泥沙管理提供科学依据和技术支撑。

本发明的原理为：多沙河流水库中的河床冲淤演变受到浑水明流段和异重流段水沙运动的共同作用，同时受到干支流倒灌的影响，有必要在模拟时全面考虑这些因素的影响。入库泥沙在明流段的输移或明流段的冲刷为异重流的形成提供了泥沙，洪水在明流段的演进影响了异重流中期潜入位置的变动，支流口门异重流的厚度和含沙量决定了异重流倒灌的强度，而支流向干流的回灌又影响了明流段和异重流段的水位。因此，本发明结合控制方程交替求解模式、异重流潜入判别条件、零维水库法和异重流倒灌流量公式，提出多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法。

本发明多沙河流水库浑水明流与异重流耦合模拟方法的数值计算方法，包括如下步骤：

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；