CN112948915B - 一种用于数值模拟试验中竖直涉水建筑物的概化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于数值模拟试验中竖直涉水建筑物的概化处理方法，属于基础水力动力学数学模型技术领域。在利用数学模型模拟竖直涉水建筑物建设后的水流条件时，通过设置虚拟结构物闸门的方法，达到拟建工程区域不再过水的目的，实现工程实施后水流条件的数值模拟。该方法节省了利用物理模型试验耗费的人力、物力、财力、时间及场地，同时避免了常规数值模拟方法易导致模型不稳定而崩溃，进而延长模型调试时间，避免了重新划分网格生成地形文件增加建模工作量，也避免了流场模拟失真问题。因此本发明方法简单，工作量小，省时省力，具备较好的推广价值。

Description

一种用于数值模拟试验中竖直涉水建筑物的概化处理方法

技术领域

本发明属于基础水利动力学数学模型技术领域，具体涉及一种用于数值模拟试验中竖直涉水建筑物的概化处理方法。

背景技术

在河道管理范围内建设工程项目时，由于工程项目的建设改变了河道地形边界形态，导致河道水流条件发生变化，从而引发一系列影响，包括河床演变、防洪、排涝、泥沙输移、水质等方面。为分析工程建设对河道的影响，特别是对河道水流条件影响较大的工程，我们需要开展数学模型计算或物理模型试验。由于物理模型试验需要耗费较多的人力物力财力，且建设周期长，需要一定的场地条件，因此采用数学模型计算更为经济适用。在采用二维或三维数学模型计算时，由于工程前后地形发生变化，需要建立现状河道及工程建设后河道两套地形网格，对于拟建竖直涉水建筑物，目前的概化处理方法主要有以下几种：1)通过插入网格分界线，抬高地形概化模拟竖直不过水建筑物，这种方法往往会因地形起伏过大导致模型不稳定进而崩溃；2)通过改变河道边界，将涉水建筑物临水边界设置为陆地边界，这种方法需要重新绘制河道边界划分网格，并重新进行地形插值生成地形文件，增加了建模工作量；3)加糙法，即将建筑物对水流产生的阻力经公式计算后反映到网格的综合糙率上，通过增大建筑物所在位置的网格糙率模拟建筑物的阻力作用，该种方法由于没有真实的不过水地形网格，建筑物附近的流场模拟会有一定失真。

在MIKE数值模拟软件计算文件中可直接设置虚拟结构物，包括堰、涵、闸门、桥墩、堤坝、涡轮机等，其中闸门开度设置为0时表示闸门关闭，可实现完全隔断水流并能真实准确模拟水流隔断后的流场。闸门的几何形状包括两种：垂直方向全部过水、垂直方向部分过水，当选择垂直方向部分过水时，用户可以自定义可闸门的顶部高程和底部高程。当拟建建筑物顶部和底部均不存在过水可能性时，闸门形状选择垂直方向全部过水并设置闸门开度为0；当拟建建筑物顶部和底部存在过水可能性的时候，闸门形状选择垂直方向部分过水，设置闸门顶高程为拟建建筑物顶高程，闸门底高程为拟建建筑物底高程，同时设置闸门开度为0，表示建筑物区域不过水。

发明内容

(1)要解决的技术问题

传统物理模型试验需要耗费大量人力物力财力、耗时长、占用场地大，同时克服常规数值模拟方法出现的问题，如：通过抬高地形概化模拟竖直涉水建筑物易导致模型崩溃，重绘河道边界划分网格增加建模工作量，利用加糙法会导致流场模拟失真等。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于数值模拟试验中竖直涉水建筑物的概化处理方法，在利用数学模型模拟竖直涉水建筑物建设前后的水流条件时，通过设置水工结构物的方法，达到拟建工程区域不再过水的目的，实现工程实施后水流条件的数值模拟，具体包括以下步骤：

a.收集工程平剖面图的设计资料，工程所在河段及其上下游一定范围内的地形地质资料，以及工程所在河道水文、泥沙、潮流的基础资料；

b.根据收集到的河道地形资料，勾画现状河道数学模型陆地边界以及拟建建筑物的边界，然后划分网格，生成网格文件，划分网格时拟建建筑物的边界线应保持原位不发生移动变形，且附近单元格的边均在拟建建筑物边界上；

c.将现状地形数据导入生成的网格文件，进行地形插值生成现状地形网格文件；

d.根据收集到的水文、泥沙、潮流的基础资料，通过水文分析计算，根据工程特征，确定模型上下游水文边界条件；

e.根据河道现状及相关手册，确定河道糙率、涡粘系数的参系数取值；对取值随时间或空间变化的参系数制作参数文件；

f.将生成的现状地形文件、边界条件、相关参数文件导入模型计算文件中，并合理设置初始条件及各项参系数，启动计算文件开始计算现状条件下河道水流条件；

g.在f步骤的基础上，在模型计算文件中增加虚拟结构物水闸，闸门坐标即为拟建竖直建筑物临水面边界坐标，根据建筑物的过水情况选择闸门的几何形状，当拟建建筑物顶部和底部均不存在过水可能性时，闸门形状选择垂直方向全部过水并设置闸门开度为0，当拟建建筑物顶部和底部存在过水可能性的时候，闸门形状选择垂直方向部分过水，设置闸门顶高程为拟建建筑物顶高程，闸门底高程为拟建建筑物底高程，同时设置闸门开度为0，表示建筑物区域不过水，设置完成后启动计算文件进行计算，计算结果即为工程建设后河道水流条件；

h.将数值模拟计算所得现状及工程建设后的河道水流条件进行对比分析，结合工程所在河道的河床演变、已建工程、已有规划等特征，分析工程建设对河道的影响。

(3)有益效果

本发明的有益效果：相比于现有技术，本方法能够较为真实地模拟建筑物的阻水效果及流场的变化情况，同时节省了利用物理模型试验耗费的人力、物力、财力、时间及场地，避免了常规数值模拟方法易导致模型不稳定而崩溃，进而延长模型调试时间，避免了重新划分网格生成地形文件增加的建模工作量，也避免了流场模拟失真问题。

附图说明

附图用来提供对本发明专利的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为定义建筑物的位置示意图；

图2为闽江下游河道二维数学模型网格划分；

图3为拟建建筑物源通码头边界网格划分；

图4为闽江下游河道二维数学模型现状地形；

图5为工程区现状地形；

图6为现状工程区高潮位水位分布图；

图7为现状工程区涨潮流速流场分布图；

图8为数模计算文件虚拟结构物水闸设置；

图9为所设虚拟结构物水闸位置示意图；

图10为工程建设后工程区高潮位水位分布图；

图11为工程建设后工程区涨潮流速流场分布图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

本实施例提供一种用于数值模拟试验中竖直涉水建筑物的概化处理方法，在利用数学模型模拟竖直涉水建筑物建设前后的水流条件时，通过设置水工结构物的方法，达到拟建工程区域不再过水的目的，实现工程实施后水流条件的数值模拟，具体包括以下步骤：

首先收集工程平剖面图的设计资料，工程所在河段及其上下游一定范围内的地形地质资料，以及工程所在河道水文、泥沙、潮流的基础资料；根据收集到的河道地形资料，勾画现状河道数学模型陆地边界以及拟建建筑物的边界，然后划分网格，生成网格文件，划分网格时拟建建筑物的边界线应保持原位不发生移动变形，且附近单元格的边均在拟建建筑物边界上；将现状地形数据导入生成的网格文件，进行地形插值生成现状地形网格文件；根据收集到的水文、泥沙、潮流的基础资料，通过水文分析计算，根据工程特征，确定模型上下游水文边界条件；根据河道现状及相关手册，确定河道糙率、涡粘系数的参系数取值；对取值随时间或空间变化的参系数制作参数文件；将生成的现状地形文件、边界条件、相关参数文件导入模型计算文件中，并合理设置初始条件及各项参系数，启动计算文件开始计算现状条件下河道水流条件。

然后在模型计算文件中增加虚拟结构物水闸，闸门坐标即为拟建竖直建筑物临水面边界坐标，根据拟建建筑物的过水情况选择闸门几何形状，当拟建建筑物顶部和底部均不存在过水可能性时，闸门形状选择垂直方向全部过水并设置闸门开度为0，当拟建建筑物顶部和底部存在过水可能性的时候，闸门形状选择垂直方向部分过水，设置闸门顶高程为拟建建筑物顶高程，闸门底高程为拟建建筑物底高程，同时设置闸门开度为0，表示建筑物区域不过水，设置完成后启动计算文件进行计算，计算结果即为工程建设后河道水流条件。

最后将数值模拟计算所得现状及工程建设后的河道水流条件进行对比分析，结合工程所在河道的河床演变、已建工程、已有规划等特征，分析工程建设对河道的影响。

在模型中闸门位置由一系列由点确定的多段线来定义，在数值计算时使用最近几个单元格的边来代替输入的多段线。如图1所示，图中带点的细线为用户输入的闸门位置，细线为网格线，粗线为模拟时实际使用的闸门位置。因此，在建模阶段划分网格时，需要将拟建建筑物的边界与河道边界数据一起输入网格划分文件中，在网格划分时保持建筑物边界不发生移位，且附近单元格的边均在建筑物边界上，以确保数值计算时实际采用的闸门位置与拟建建筑物边界一致。

具体地，本实施例以闽江下游源通码头为例进行说明，该码头采用直立式不透水结构。首先收集码头及其上下游河段的地形地质资料、水文泥沙资料、潮流资料、码头设计图等基础资料，确定模型模拟范围。采用MIKE软件建立二维水动力数学模型，绘制河道边界及拟建码头边界线，导入网格划分文件进行网格划分，如图2所示，划分网格时拟建码头边界保持原位不移动，且其附近网格的边与码头边界重合，如图3所示。

网格文件生成后，导入现状地形数据生成现状地形文件，如图4所示，工程区现状地形如图5所示。模型上游边界分别位于闽江北港三江口大桥上游2.3km处及南港乌龙江大桥处，下游边界位于闽江出海口、琅岐岛下游约7km处。上游边界为100年一遇洪峰流量，下游边界为梅花站4～7月100年一遇大潮潮位过程。模型首先以现状地形为基础，模拟计算现状条件下的河道水流条件，计算出现状条件下拟建工程河段的水位及流速流场分布分别如图6和图7所示。

现状条件下河道水流条件模拟计算完成后，在计算文件中设置虚拟结构物闸门，闸门节点坐标即为源通码头临水面边界线对应坐标，由于源通码头建设后该区域不再过水，因此闸门形状选择垂直方向全部过水，闸门开度设置为0，表示闸门关闭，拟建码头区域不再过水，具体设置方法如图8所示，设置的闸门所在位置如图9所示。设置完成后保持地形文件、边界条件、初始条件、相关参系数等保持不变，重新启动计算文件即可模拟计算出工程后河道水流条件模拟结果，工程后水位及流速流场分别如图10和图11所示，可以看出，在闸门右侧即拟建工程所在位置处无水流经过，水位及流速流场分布符合工程实际情况，表明该方法能够较好的概化模拟竖直涉水建筑物对河道水流条件的影响。将现状水位(图6)及流速流场(图7)与工程后水位(图10)及流速流场(图11)进行对比，发现除工程区水流条件略有变化外，河道内其他区域的水位流速流场基本保持不变，说明工程建设对河道水流条件的影响较小。

所以本实施例够较为真实地模拟建筑物的阻水效果及流场的变化情况，同时节省了利用物理模型试验耗费的人力、物力、财力、时间及场地，避免了常规数值模拟方法易导致模型不稳定而崩溃；延长模型调试时间，避免了重新划分网格生成地形文件增加的建模工作量，也避免了流场模拟失真的情况发生。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种用于数值模拟试验中竖直涉水建筑物的概化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.收集工程平剖面图的设计资料，工程所在河段及其上下游一定范围内的地形地质资料，以及工程所在河道水文、泥沙、潮流的基础资料；

b.根据收集到的河道地形资料，勾画现状河道数学模型陆地边界以及拟建建筑物的边界，然后划分网格，生成网格文件，划分网格时拟建建筑物的边界线应保持原位不发生移动变形，且附近单元格的边均在拟建建筑物边界上；

c.将现状地形数据导入生成的网格文件，进行地形插值生成现状地形网格文件；

d.根据收集到的水文、泥沙、潮流的基础资料，通过水文分析计算，根据工程特征，确定模型上下游水文边界条件；

e.根据河道现状及相关手册，确定河道糙率、涡粘系数的参系数取值；对取值随时间或空间变化的参系数制作参数文件；

f.将生成的现状地形文件、边界条件、相关参数文件导入模型计算文件中，并合理设置初始条件及各项参系数，启动计算文件开始计算现状条件下河道水流条件；

g.在f步骤的基础上，在模型计算文件中增加虚拟结构物水闸，闸门坐标即为拟建竖直建筑物临水面边界坐标，根据拟建建筑物的过水情况选择闸门几何形状，当拟建建筑物顶部和底部均不存在过水可能性时，闸门形状选择垂直方向全部过水并设置闸门开度为0；当拟建建筑物顶部和底部存在过水可能性的时候，闸门形状选择垂直方向部分过水，设置闸门顶高程为拟建建筑物顶高程，闸门底高程为拟建建筑物底高程，同时设置闸门开度为0，表示建筑物区域不过水，设置完成后启动计算文件进行计算，计算结果即为工程建设后河道水流条件；

h.将数值模拟计算所得现状及工程建设后的河道水流条件进行对比分析，结合工程所在河道的河床演变、已建工程、已有规划特征，分析工程建设对河道的影响。

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