多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法，包括如下步驟：根據(jù)水庫干支流實測斷面地形劃分干流斷面灘槽節(jié)點，計算支流底坡和水位庫容關(guān)系，將模擬區(qū)域劃分為一組控制體；求解渾水明流控制方程組，使用零維水庫法和考慮底坡的異重流倒灌流量公式計算干支流倒回灌流量；使用潛入判別條件判斷異重流潛入位置；求解異重流控制方程組；計算干支流沖淤量及水庫排沙比。本發(fā)明專利技術(shù)考慮了影響水庫沖淤過程的多種水沙運(yùn)動，能同時模擬明流段和異重流段的水沙輸移過程、干支流倒回灌過程；本發(fā)明專利技術(shù)能預(yù)測一定入庫水沙條件和水庫調(diào)度過程下的出庫水沙過程以及干支流沖淤分布。

Shahe water resources and muddy water flow density flow coupling simulation method

The invention discloses a multi reservoir flow and Shahe muddy water density current coupling simulation method, which comprises the following steps: according to the reservoir tributaries measured section topography divided mainstream sections trough node, bottom slope and water storage capacity calculation tributary relationship, the simulated area is divided into a control group; the flow control equations for muddy water, density flow the use of zero dimensional reservoir method and considering the bottom slope lateral flow calculation formula of flow into the perfusion flow of heavenly stems and earthly branches; use into the discriminant condition judgment of density current position; solving the control equations of density flow calculation; flow and scour of heavenly stems and Earthly Branches and the reservoir sediment discharge. A variety of water and sediment movement of the invention considers the effect of reservoir sedimentation process, which can simulate flow section and the section of the current water and sediment transport processes, flow into the filling process of heavenly stems and earthly branches; the invention can predict storage scheduling process conditions of water and sediment and reservoir water flow and sediment process from the heavenly stems and Earthly Branches distribution of erosion and deposition.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法
本專利技術(shù)涉及水利工程
，具體的說是多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法。
技術(shù)介紹
水庫異重流是多沙河流水庫泥沙管理中引起普遍關(guān)注的問題。在水庫設(shè)計或運(yùn)用階段對異重流問題考慮不足有可能影響其正常運(yùn)轉(zhuǎn)甚至減損水庫壽命。目前對于水庫異重流在動力學(xué)機(jī)制上仍有認(rèn)識不足，模型發(fā)展現(xiàn)狀還不能滿足實際工程需要。此外在水庫調(diào)水調(diào)沙過程中，渾水明流段的水沙運(yùn)動對于異重流的形成和運(yùn)動有重要影響，在此種情況下對整個庫區(qū)的水沙運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值模擬存在很大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有異重流模型通常分為解析異重流模型、一維和平面二維異重流模型，以及立面二維和三維異重流模型。解析異重流模型只能對于無交界面摻混和無床面泥沙交換的理想情況給出近似解。目前解析模型的研究成果只能用于規(guī)則斷面形態(tài)下，具有特定上游邊界條件下(即總體積固定和恒定入流兩種情況)的異重流傳播計算。立面二維和三維異重流模型可以模擬出流速、含沙量沿垂向的不均勻分布。這類模型構(gòu)建時大部分涉及到紊流封閉，也有一部分使用直接數(shù)值模擬。由于目前對于紊動現(xiàn)象的理解不足，不同的學(xué)者提出了許多紊流模式理論，相應(yīng)的模型對于同一異重流過程給出的預(yù)測結(jié)果差異很大。此外立面二維和三維異重流模型計算成本很高，大部分應(yīng)用仍局限于對水槽實驗過程的模擬。一維和平面二維異重流模型是在對Navier-Stokes方程深度平均的基礎(chǔ)上得來的，雖然不能求解水沙要素的垂向分布，但是計算速度快且能夠確定工程應(yīng)用中關(guān)心的傳播速度、沖淤量等問題。傳統(tǒng)的一維和平面二維異重流模型由于不考慮明流段與異重流段水沙運(yùn)動的耦合關(guān)系，只能用于模擬潛入點下游的異重流傳播過程而很難模擬異重流的產(chǎn)生。另一方便對于庫區(qū)存在支流的多沙河流水庫，現(xiàn)有的模型沒有考慮干支流倒回灌的影響。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法，能預(yù)測水庫異重流的形成時間和潛入位置，以及異重流發(fā)生期間明流段和異重流段的水沙輸移過程，干支流倒回灌過程，水庫排沙比等，為可持續(xù)的水庫泥沙管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。本專利技術(shù)的原理為：多沙河流水庫中的河床沖淤演變受到渾水明流段和異重流段水沙運(yùn)動的共同作用，同時受到干支流倒灌的影響，有必要在模擬時全面考慮這些因素的影響。入庫泥沙在明流段的輸移或明流段的沖刷為異重流的形成提供了泥沙，洪水在明流段的演進(jìn)影響了異重流中期潛入位置的變動，支流口門異重流的厚度和含沙量決定了異重流倒灌的強(qiáng)度，而支流向干流的回灌又影響了明流段和異重流段的水位。因此，本專利技術(shù)結(jié)合控制方程交替求解模式、異重流潛入判別條件、零維水庫法和異重流倒灌流量公式，提出多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法。本專利技術(shù)多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法的數(shù)值計算方法，包括如下步驟：步驟(1)，根據(jù)水庫干支流實測斷面地形劃分干流斷面灘槽節(jié)點，計算支流底坡J和水位庫容關(guān)系V(zs)；將模擬區(qū)域劃分為一組控制體；步驟(2)，求解渾水明流控制方程組，使用零維水庫法和考慮底坡的異重流倒灌流量公式計算干支流倒回灌流量，具體步驟如下：步驟(2.1)，根據(jù)下一時刻的邊界條件以及當(dāng)前時刻的地形和守恒變量Um，計算各控制體交界面上的數(shù)值通量F；步驟(2.2)，對于和支流相連的控制單元，使用零維水庫法計算下一時刻水位及干支流倒回灌凈單寬流量ql，如果該控制單元位置還存在異重流，則用考慮底坡的異重流倒灌流量公式計算倒灌流量qtl；對于不和支流相連的控制體，直接按顯式離散格式計算得到步驟(2.3)，完成渾水明流控制方程中第二分量流量、第三分量含沙量的計算得到Um+1，更新后的河底高程zb暫記為步驟(3)，使用潛入判別條件判斷異重流潛入位置；從整個模擬區(qū)域的上游第一個斷面位置開始，逐個計算每一控制體的Um+1是否滿足潛入判別條件，若滿足則記錄下斷面號p，將明流段河底高程更新為進(jìn)入步驟(4)；若所有斷面位置的Um+1均不滿足潛入判別條件，則令整個計算域內(nèi)返回步驟(2)進(jìn)行下一時段的計算。步驟(4)，求解異重流控制方程組；步驟(4.1)，將作為異重流段上游邊界條件，計算異重流控制方程中的數(shù)值通量和源項；步驟(4.2)，計算得到下一時刻的和N為模擬區(qū)域內(nèi)的斷面?zhèn)€數(shù)，如果已經(jīng)達(dá)到模擬的最終時刻，則進(jìn)入步驟(5)，否則令m＝m+1，返回步驟(2)進(jìn)行下一時段的計算；步驟(5)，計算干支流沖淤量及水庫排沙比。上述步驟(2)中，渾水明流控制方程組如下：式中：t表示時間；x表示沿程距離；U是守恒變量；F是數(shù)值通量；S是源項；A是斷面過流面積；Q是斷面流量；C為體積比含沙量；B為水面寬度；E為床沙上揚(yáng)通量；D為懸沙沉降通量；U是斷面平均流速；ρw，ρ分別為清混水的密度；ρb為床沙飽和濕密度；ρs為泥沙顆粒密度；p為床沙的孔隙率；g為重力加速度；Sb為底坡；Sf為阻力坡度，其表達(dá)式為其中nj為步驟(1)中指定的子斷面糙率，Aj和Rj為子斷面的面積和水力半徑，NP表示某一斷面上劃分的子斷面?zhèn)€數(shù)；h為水深；hc為過流斷面形心高度；ql為干支流倒回灌凈單寬流量，規(guī)定從干流到支流為正，Cl為與這部分流量對應(yīng)的體積比含沙量；Ab表示基準(zhǔn)高程以上的河床橫斷面面積；為沖淤導(dǎo)致的斷面面積的變化速率。上述步驟(2)中，采用顯式離散格式求解控制方程，即將式(1)寫為：其中i是控制體編號，m是時間步長數(shù)，Δt為時間步長，Δx為空間步長，和分別表示第i個控制體左右兩側(cè)的數(shù)值通量。上述步驟(2)中，零維水庫法如下：在更新渾水明流方程中U的第一個分量即A時，對于與支流相連的控制體，用下標(biāo)為r的控制體表示，將其與支流作為一個整體，記A*為這一擴(kuò)大的控制體的斷面面積；A*的定義為：A*(zs,r)＝Ar(zs,r)+V(zs,r)/Δx(6)式中：zs,r為下標(biāo)為r的控制體中的水位，V(zs,r)表示水位為zs,r時與下標(biāo)為r的控制體相連的支流的庫容，Ar(zs,r)表示水位為zs,r時下標(biāo)為r的控制體的斷面面積，A*(zs,r)表示水位為zs,r時擴(kuò)大的控制體的斷面面積，Δx為空間步長；對于上述擴(kuò)大的控制體，在計算其與兩側(cè)普通的控制體之間的數(shù)值通量時，不考慮支流的存在，然后按下式將A*演進(jìn)到下一時間步：其中Δt為時間步長，Δx為空間步長，表示當(dāng)前時刻下標(biāo)為r的控制體右側(cè)的數(shù)值通量的第一個分量，表示當(dāng)前時刻下標(biāo)為r的控制體左側(cè)的數(shù)值通量的第一個分量，表示當(dāng)前時刻下標(biāo)為r的控制體的源項的第一個分量，表示當(dāng)前時刻擴(kuò)大的控制體的斷面面積，表示下一時刻擴(kuò)大的控制體的斷面面積；這里的中不包括干支流倒回灌凈單寬流量ql，因為倒回灌的水流是擴(kuò)大的控制體內(nèi)部的流動；通過式(7)得到之后，干支流交匯處的水位即下標(biāo)為r的控制體中的水位zs,r就可以由式(6)得到，那么原來干流中第r個控制體內(nèi)的斷面面積即為上述步驟(2)中，考慮底坡的異重流倒灌流量公式為：其中qtl為倒灌流量；h0為交匯區(qū)干流異重流厚度；ξ為阻力損失系數(shù)；J為支流底坡；L為潛入段長度；η＝(γ-γ0)/γ，γ0和γ分別為清渾水容重；g為重力加速度。上述步驟(3)中，潛入判別條件為：式中：Frp為潛入點弗汝德數(shù)，Sv為渾水水流的體積比含沙量；如果由某控制體的Um+1計算的弗汝德數(shù)Fr小于潛入點弗汝德數(shù)Frp，即認(rèn)為滿足潛入本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟(1)，根據(jù)水庫干支流實測斷面地形劃分干流斷面灘槽節(jié)點，計算支流底坡J和水位庫容關(guān)系V(z

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟(1)，根據(jù)水庫干支流實測斷面地形劃分干流斷面灘槽節(jié)點，計算支流底坡J和水位庫容關(guān)系V(zs)；將模擬區(qū)域劃分為一組控制體；步驟(2)，求解渾水明流控制方程組，使用零維水庫法和考慮底坡的異重流倒灌流量公式計算干支流倒回灌流量，具體步驟如下：步驟(2.1)，根據(jù)下一時刻的邊界條件以及當(dāng)前時刻的地形和守恒變量Um，計算各控制體交界面上的數(shù)值通量F；步驟(2.2)，對于和支流相連的控制單元，使用零維水庫法計算下一時刻水位及干支流倒回灌凈單寬流量ql，如果該控制單元位置還存在異重流，則用考慮底坡的異重流倒灌流量公式計算倒灌流量qtl；對于不和支流相連的控制體，直接按顯式離散格式計算得到步驟(2.3)，完成渾水明流控制方程中第二分量流量、第三分量含沙量的計算得到Um+1，更新后的河底高程zb暫記為步驟(3)，使用潛入判別條件判斷異重流潛入位置；從整個模擬區(qū)域的上游第一個斷面位置開始，逐個計算每一控制體的Um+1是否滿足潛入判別條件，若滿足則記錄下斷面號p，將明流段河底高程更新為進(jìn)入步驟(4)；若所有斷面位置的Um+1均不滿足潛入判別條件，則令整個計算域內(nèi)m＝m+1，返回步驟(2)進(jìn)行下一時段的計算；步驟(4)，求解異重流控制方程組；步驟(4.1)，將作為異重流段上游邊界條件，計算異重流控制方程中的數(shù)值通量和源項；步驟(4.2)，計算得到下一時刻的和i＝p+1,p+2,...,N，N為模擬區(qū)域內(nèi)的斷面?zhèn)€數(shù)，如果已經(jīng)達(dá)到模擬的最終時刻，則進(jìn)入步驟(5)，否則令m＝m+1，返回步驟(2)進(jìn)行下一時段的計算；步驟(5)，計算干支流沖淤量及水庫排沙比。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法，其特征在于：上述步驟(2)中，渾水明流控制方程組如下：式中：t表示時間；x表示沿程距離；U是守恒變量；F是數(shù)值通量；S是源項；A是斷面過流面積；Q是斷面流量；C為體積比含沙量；B為水面寬度；E為床沙上揚(yáng)通量；D為懸沙沉降通量；U是斷面平均流速；ρw，ρ分別為清混水的密度；ρb為床沙飽和濕密度；ρs為泥沙顆粒密度；p為床沙的孔隙率；g為重力加速度；Sb為底坡；Sf為阻力坡度，其表達(dá)式為其中nj為步驟(1)中指定的子斷面糙率，Aj和Rj為子斷面的面積和水力半徑，NP表示某一斷面上劃分的子斷面?zhèn)€數(shù)；h為水深；hc為過流斷面形心高度；ql為干支流倒回灌凈單寬流量，規(guī)定從干流到支流為正，Cl為與這部分流量對應(yīng)的體積比含沙量；Ab表示基準(zhǔn)高程以上的河床橫斷面面積；為沖淤導(dǎo)致的斷面面積的變化速率。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法，其特征在于：上述步驟(2)中，采用顯式離散格式求解控制方程，即將式(1)寫為：其中i是控制體編號，m是時間步長數(shù)，Δt為時間步長，Δx為空間步長，和分別表示第i個控制體左右兩側(cè)的數(shù)值通量。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多沙河流水庫渾水明流與異重流耦合模擬方法，其特征在于：上述步驟(2)中，零維水庫法如下：在更新渾水明流方程中U的第一個分量即A時，對于與支流相連的控制體，用下標(biāo)為r的控制體表示，將其與支流作為一個整體，記A*為這一擴(kuò)大的控制體的斷面面積；A*的定義為：A*(zs,r)＝Ar(zs,r)+V(zs,r)/Δx(6)式中：zs,r為下標(biāo)為r的控制體中的水位，V(zs,r)表示水位為zs,r時與下標(biāo)為r的控制體相連的支流的庫容，Ar(zs,r)表示水位為zs,r時下標(biāo)為r的控制體的斷面面積，A*(zs,r)表示水位為zs,r時擴(kuò)大的控制體的斷面面積，Δx為空間步長；對于上述擴(kuò)大的控制體，在...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：夏軍強(qiáng)，王增輝，李潔，周美蓉，李濤，
申請(專利權(quán))人：武漢大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北,42