[发明专利]一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法有效

专利信息
申请号: 201710908322.X 申请日: 2017-09-29
公开(公告)号: CN107451383B 公开(公告)日: 2020-10-23
发明(设计)人: 关见朝;曹文洪;方春明;毛继新;鲁文;张晓明;张磊;王大宇;刘建刚;温州;郭佳乐;王友胜 申请(专利权)人: 中国水利水电科学研究院
主分类号: G06F30/28 分类号: G06F30/28
代理公司: 北京凯特来知识产权代理有限公司 11260 代理人: 郑立明;郑哲
地址: 100044 *** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 平面 二维 数学模型 初始 床沙级配 方法
【说明书】:

发明公开了一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法,包括:步骤S1、按床面特性划定床沙级配分区,并计算各分区内各级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值;步骤S2、计算各网格点冲淤厚度计算值;步骤S3、计算各网格点冲淤厚度预测值与已知冲淤厚度实测值之间的误差;步骤S4、判断误差绝对值是否小于预设的精度阈值;若是,则转入步骤S6;若否,则转入步骤S5;步骤S5、根据误差的符号,以二分法调整相应网格点的初始床沙级配的取值,并转入步骤S2;步骤S6、完成床沙级配率定,保存床沙级配率定结果。该方法在保证河道平面二维水沙模型初始床沙级配取值合理的同时,提高平面二维水沙模型床沙级配的率定效率。

技术领域

本发明涉及水力学及河流运动力学技术领域,尤其涉及一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法。

背景技术

初始床沙级配是河道平面二维水沙数学模型(以下简称“二维水沙模型”)的重要参数,二维水沙模型可用于计算天然河流的流速、水位、水深等水力要素及泥沙运动要素,这些水沙要素的取得,可为解决水利、生态和环境等问题提供水沙条件。二维水沙模型被广泛应用于水力学及河流动力学科学研究,也是解决各类工程泥沙问题的重要工具。

在水力学及河流运动力学研究以及工程泥沙问题的解决过程中,通常需要分析河流的流速、水位、水深等水力要素和悬移质与推移质泥沙的运动规律,要获取这些要素可通过求解水沙运动的控制方程来实现。

对于水流运动,其控制方程是纳维-斯托克斯方程(NS方程),它描述的是流体的三维运动,其解析解只在一些简单情况下才可得,对于一般情况,其数值解也较难获取。所谓解析解,通俗来讲是指以数学表达式表达的解,所谓数值解,是指通过数值方法获取的流体所在空间的离散点或单元上的各物理量的具体数值。

同样的,河流中的运动着的泥沙也有描述其运动的控制方程,此类泥沙有两类,一是随水流悬移运动的泥沙,被称作悬移质,描述其运动的控制方程本质是一个对流扩散方程;二是在河床表面推移运动的泥沙,被称作推移质,描述其运动的控制方程通常被称为推移质输沙率公式。河流中悬移质和推移质的运动,会给床面形态带来变化,因此在水沙数学模型中还需要求解床面变形方程,其本质是沙量平衡,床面变形是以床面高程的变化来反映的,通过对比前后两个时刻的床面高程变化,可以获得床面冲淤厚度。对于天然沙,由于其粒径的非均匀性,在求解其运动时,还要考虑级配变化,因而非均匀沙水沙运动数学模型还要求解级配的变化,因此床沙级配是随时间而改变的,二维水沙模型计算起始时刻的床沙级配被称为初始床沙级配,它是后续床沙级配调整的起点。

以数值方法求解水沙运动的相关方程,可以分析水、沙要素的变化,可为解决水利、生态和环境等问题提供流量、流速、水位等水力要素和含沙量、级配等泥沙要素,还能预测河道演变趋势。

为了简化求解,在水力学及河流动力学研究过程中,对于宽浅河流,常将三维的NS方程、悬移质对流扩散方程沿水深积分,以平面二维浅水方程和相应的平面二维悬移质运动方程描述水沙运动,在给定计算条件并选取计算参数后,通过数值方法求解离散的平面二维浅水方程和泥沙运动方程、床面变形方程和级配调整方程等,便可获得相关水沙要素值。

纳维-斯托克斯方程和悬移质运动方程沿水深积分为平面二维浅水方程后,方程仍是解析形式,它在求解空间中是连续分布的,为了在科学研究和工程计算中具体求解,需要对解析的平面二维浅水方程和悬移质运动方程进行空间离散(离散的方法有有限差分法、有限体积法和有限元法等),在列出这些离散点或离散单元内的各物理量的代数方程组后,通过求解代数方程组,可获取各离散点或单元的水位、水深、流速值,在水流运动方程求解完毕后,可以将计算所得水力要素代入悬移质运动方程和推移质输沙率方程,进而求解平面空间内的含沙量、推移质输沙率、相应级配和床面高程变化等泥沙要素。

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