[发明专利]一种迎风守恒型河道漫溢出流数值模拟方法

权利要求书

1.一种迎风守恒型河道漫溢出流数值模拟方法，其特征在于：河道水流采用一维数学模型模拟，河水漫溢出槽后采用二维数学模型模拟，一维数学模型和二维数学模型均采用基于有限体积法的迎风守恒型数值格式离散，水力变量储存在单元中心，河道内外的水流交互通过特征不变量理论进行求解；其具体的方法步骤如下：

1)基础数据获取：获取河道断面数据和河道平面几何形状数据；获取河道外淹没区地形数据；

2)计算区域离散：采用一维有限体积单元离散河道；采用非结构三角形单元离散河道外淹没区域；在漫溢段，需建立一维河道单元和与其相连接的三角形单元的拓扑对应关系；在河道漫溢段，一维河道单元称为一维连接单元，单个一维连接单元对应1个以上的二维网格单元，二维网格单元与一维连接单元相连接的边称为连接边，每个通过连接边与河道单元直接相连的二维网格单元称为二维连接单元，一维河道单元连接边的长度等于与其对应的二维连接单元连接边的长度之和；

3)模型初始化：给一维河道单元设置糙率和水力条件初始值；插值网格节点和网格型心点的高程值，给二维网格单元设置糙率和水力条件初始值；

4)获取时间步长dt：分别计算一维模型的时间步长dt₁和二维模型的时间步长dt₂，取dt₁和dt₂数值较小者为计算所需的时间步长dt；

5)漫溢段水流交互计算：首先判断漫溢段河道内外是否有水流交互，如果有交互，借助特征不变量计算公式，通过一维河道单元的水位值和与其相邻的二维网格单元的水深和流速值计算通过各二维网格单元连接边外法线方向的质量通量和动量通量；如果无水流交互则质量通量和动量通量均为0；当河道内外有水流交互时，通过特征不变量公式来计算通过二维网格单元连接边的质量通量和动量通量，特征不变量的计算公式如式(1)：

u_Ln+2c_L＝u_*+2c_* (1)

式中：u_*,c_*为二维网格单元连接边上的外法线方向流速和波速，u_Ln,c_L为二维网格单元中心水力要素值在连接边外法线方向的流速和波速；其中，c_*通过一维河道单元的水位值求得；

6)一维模型计算：采用完整一维浅水方程组模拟河道水流运动，采用基于有限体积法的迎风守恒型HLL格式计算一维河道单元界面数值通量；步骤5)漫溢段的交互水量在一维模型中作源项处理；计算完成后，一维河道各单元的水力变量更新到t+dt时刻；

7)二维模型计算：采用完整二维浅水方程组模拟河道外水流运动过程，采用基于有限体积法的迎风守恒型Roe格式计算二维单元的界面通量；步骤5)计算的通过每个二维网格单元连接边的质量通量和动量通量作为二维模型的边界条件；计算完成后，二维网格单元的水力变量更新到t+dt时刻；

8)令t＝t+dt，重复步骤4)-7)，直至完成整个计算过程。

2.根据权利要求1所述的一种迎风守恒型河道漫溢出流数值模拟方法，其特征在于：步骤2)中，在河道漫溢段，加密一维河道单元数，同时加密二维连接单元数。

3.根据权利要求1所述的一种迎风守恒型河道漫溢出流数值模拟方法，其特征在于：步骤2)中漫溢段河道单元长度不大于200m。

4.根据权利要求1所述的一种迎风守恒型河道漫溢出流数值模拟方法，其特征在于：步骤2)中，河道无堤防，漫溢处的二维网格单元连接边长取小于河道单元连接边长的1/3。

5.根据权利要求1所述的一种迎风守恒型河道漫溢出流数值模拟方法，其特征在于：有河道堤防，二维网格单元的连接边不大于堤防顶宽的一半。