CN114880756A - 一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统,方法包括:S1、根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置,并获取该河道的控制单元;S2、根据一维河网数学模型的初始化信息、河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线,获取河道各控制单元一般界面的初始数值通量;S3、根据初始水工构筑物过流方式、一维河网数学模型的初始化信息和初始水工构筑物界面过水面积,获取河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量;S4、根据河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量,获取预先设定的目标时刻的各控制单元中心的流体变量值。
Description
技术领域
本发明涉及河道水流运动状态进行模拟技术领域,尤其涉及一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统。
背景技术
自十九世纪七十年代描述河道一维非恒定水流运动的基本方程(Saint-Venant方程)被提出以来,众多专家学者采用不同的数值计算格式对该方程进行求解,以便研究河道断面流量(或流速)、水位的变化规律。有限差分格式起源于二十世纪四、五十年代,经过专家学者的不断改进优化,现已成为一维河道洪水演进模拟的主流数值格式(如常见的Preissmann格式)。这类格式在处理构筑物时常常需要在构筑物前后增加虚拟断面,且需要对河网所有断面构建大型稀疏矩阵,求解难度较大、计算耗时。此外,有限差分格式对复杂地形上的水流流态模拟效果不佳,尤其是出现激波或发生流态转变情况时,模拟过程极易发散。
基于求解Riemann问题的Godunov格式有限体积法是近些年发展起来的一种用于模拟洪水演进的数值格式,其对于激波现象的捕捉和复杂地形上水流流态的模拟能力均取得了令人满意的结果。
目前,基于有限体积法的水工构筑物过流模拟技术还较少,如何在新的Godunov格式下进行构筑物的过流模拟是一大难点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足,本发明提供一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的,本发明采用的主要技术方案包括:
第一方面,本发明实施例提供一种一维河道水工构筑物过流模拟方法,包括:
S1、根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置,并采用中心格式有限体积法对河道进行离散化,获取该河道所对应的多个的控制单元;
其中,每一控制单元均对应一般界面和/或构筑物界面;
S2、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息、预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线,获取河道各控制单元一般界面的初始数值通量;
S3、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式、预先设定的一维河网数学模型的初始化信息和预先确定的初始水工构筑物界面过水面积,获取河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量;
所述一维河网数学模型初始化信息包括:用户对河道各断面赋值的初始水位、初始流量以及用户对河道的边界赋值的外边界值;
所述初始水工构筑物过流方式和初始水工构筑物界面过水面积与所述预先设定的一维河网数学模型的初始化信息中的水位对应;
S4、根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线、和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量,获取预先设定的目标时刻的各控制单元中心的流体变量值。
优选地,S1中根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置,具体包括:
在河道中的水工构筑物的上下游分别选取河道断面,并使该水工构筑物上下游分别对应的河道断面之间的距离为所述水工构筑物垂直水流方向宽度的一至两倍;
其中,所述控制单元的中心处布置相应的河道断面以及定义该河道断面位置处的流体变量。
优选地,所述S2具体包括:
根据所述一维河网数学模型初始化信息,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道内部的各控制单元的一般界面的初始数值通量;
根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道两端边缘的控制单元的一般界面的初始数值通量。
优选地,
所述构筑物界面的初始数值通量包括:构筑物界面的初始质量通量、构筑物界面的初始动量通量。
优选地,所述S3具体包括:
S31、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式和所述一维河网数学模型初始化信息,利用与所述初始水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式计算得到河道中所述水工构筑物的初始过流量,并将该水工构筑物的初始过流量作为构筑物界面的初始质量通量;
S32、根据初始水工构筑物界面过水面积,利用公式(A)计算得到构筑物界面的初始动量通量;
所述公式(A)为:
W1为构筑物界面的初始动量通量。
优选地,
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为自由出流方式,则与所述自由出流方式方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-1);
所述公式(1-1)为:
n为水工构筑物孔数;
b为水工构筑物单孔净宽;
g为重力加速度;
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为淹没方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-2);
所述公式(1-2)为:
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为孔流方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-3);
所述公式(1-3)为:
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为无孔流方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-4);
所述公式(1-4)为:
优选地,所述S4具体包括:
S41、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息,对预先设定的一维河网数学模型进行初始化获取初始化后的一维河网数学模型;
S42、若所述目标时刻为当前时刻之后的时刻,则根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量,采用所述初始化后的一维河网数学模型,计算得到目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
优选地,所述S42具体包括:
S421、采用CFL条件确定所述一维河网数学模型的时间步长;
S422、根据河道各控制单元一般界面的当前的数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量,采用一维水动力模型,得到河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量;
所述河道各控制单元一般界面的当前的数值通量为河道各控制单元一般界面的初始数值通量或者为河道各控制单元一般界面的新的数值通量;
河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量为道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量或者为道各控制单元的构筑物界面的新的数值通量;
S423、判断是否到达目标时刻,若达到,则将已得到的各控制单元的流体变量作为目标时刻各控制单元中心的流体变量值;
若没有达到目标时刻,根据河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项,获取河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件;
所述河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件包括:河道在经过一次时间步长后所对应的水位以及流量;
S424、根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道各控制单元的一般界面在经过一次时间步长后的新的数值通量;
S425、根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,确定与该河道经过一次时间步长后所对应的外边条件对应的新的水工构筑物过流方式,并利用与所述新的水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式计算得到河道中所述水工构筑物的新的过流量,并将该水工构筑物的新的过流量作为构筑物界面在经过一次时间步长后的质量通量;
根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,确定与该河道经过一次时间步长后所对应的外边条件对应的新的水工构筑物界面过水面积,并进一步根据所述新的水工构筑物界面过水面积采用公式(B)计算得到构筑物界面在经过一次时间步长后的动量通量;
所述公式(B)为:
S426、根据各控制单元一般界面在经过一次时间步长后的数值通量和构筑物界面在经过一次时间步长后的新的数值通量,采用所述一维河网数学模型,获取各控制单元在经过一次时间步长后的流体变量;
构筑物界面新的数值通量包括:构筑物界面在经过一次时间步长后的质量通量以及构筑物界面在经过一次时间步长后的动量通量;
S427、重复步骤S423-S427直至控制单元在经过时间步长后大于或等于目标时刻,则将该控制单元在经过时间步长后的流体变量作为目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
优选地,
所述一维河网数学模型为:
其中,U为流体变量;
F为一般界面或构筑物界面的数值通量;
S为源项;
其中,B为过水断面宽度;
t为时间;
x为河道长度距离。
另一方面,本实施例还提供一种一维河道水工构筑物过流模拟系统,包括:
至少一个处理器;以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器,其中,所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令,所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的一维河道水工构筑物过流模拟方法。
(三)有益效果
本发明的有益效果是:本发明的一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统,由于采用水工构筑物的过流量作为质量通量的处理方式没有改变有限体积格式下的Saint-Venant方程的物理意义,水流仍然是从控制单元的界面处流入或流出,不会出现含义不明的源项水量变化,同时构筑物界面位置处也无需再进行流体变量重构,节省计算耗费。
附图说明
图1为本发明的一维河道水工构筑物过流模拟方法流程图;
图2为实施例中采用中心格式有限体积法对河道进行离散化获取的控制单元的示意图;
图3为本实施例中带水堰的河道使用本发明的一维河道水工构筑物过流模拟方法得到的模拟结果;
图4为本发明的一维河道水工构筑物过流模拟系统结构示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
为了更好的理解上述技术方案,下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
河道洪水演进模拟采用中心格式的有限体积法的处理方式为:将河道离散为一个个的控制单元,河道断面布置于控制单元中心,断面上的流量、水位等物理量均定义在控制单元中心。如图2,此时控制单元在中心的两侧会各自存在一个与其它控制单元相交的界面,如果是河道首末位置处的控制单元,河道外侧则为边界。水流通过界面流入或流出控制单元,即通过界面的水流质量通量与动量通量,根据一个时间步长内控制单元质量、动量通量的变化量,代入离散后的Saint-Venant方程即可求出一个时间步长内控制单元的水位、流量变化量,进而求出下一时刻控制单元的水位、流量。因此,基于中心格式的有限体积法模拟河道洪水演进的计算过程中,最重要的部分便是对界面处质量通量与动量通量的求解。
对于一般界面而言,可以采用目前主流的HLL近似黎曼解来计算,但是当河道存在水工构筑物时,该处的水流流态变得极为复杂,HLL近似黎曼解不适用,无法合理地模拟出构筑物上下游实际可能发生的水面雍高、水跃等现象。现有的技术方案是采用构筑物上下游控制单元流体变量值计算t时刻通过该构筑物的流量值,该流量值在上下游控制单元计算中作为连续方程的源项处理,另外为了保证计算的连续性,构筑物界面处的流体变量需要采用无反射边界条件进行重构,进而计算通过构筑物界面的数值通量。但是,这种处理方式需要将构筑物流量值作为源项进行处理,改变了原始连续方程的物理意义,产生含义不明的源项水量变化,对构筑物界面处的流体变量进行重构也增加了模拟过程中的计算量。
为了保证合理、稳定地对构筑物位置附近的过流进行模拟,参见图1,本实施例提供一种一维河道水工构筑物过流模拟方法,包括:
S1、根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置,并采用中心格式有限体积法对河道进行离散化,获取该河道所对应的多个的控制单元。
其中,每一控制单元均对应一般界面和/或构筑物界面,本实施例中的控制单元如图2所示。图2中以同时存在一般界面和构筑物界面的控制单元为例,i-1、i、i+1为断面所在位置(即控制单元中心);i-1/2位于i-1位置和i位置的中间,控制单元i的一般界面位于i-1/2位置处;i+1/2位于i位置和i+1位置的中间,控制单元i的构筑物界面位于i+1/2位置处;表示控制单元i的距离长度;F i-1/2表示通过一般界面处的数值通量,F i+1/2表示通过构筑物界面处的数值通量。
在本实施例的实际应用中,S1中根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置,具体包括:
在河道中的水工构筑物的上下游分别选取河道断面,并使该水工构筑物上下游分别对应的河道断面之间的距离为所述水工构筑物垂直水流方向宽度的一至两倍。由于水流在流入构筑物的过程中会发生横向收缩,流出构筑物的过程中会发生横向扩张以及水流在流经构筑物时会发生纵向收缩,这段范围的水流已经开始受到构筑物的影响,若构筑物上下游断面之间的距离过近,构筑物过流模拟结果会较为不准确,若构筑物上下游断面之间的距离过远,构筑物过流模拟又会不稳定,构筑物上下游断面之间的距离取构筑物垂直水流方向宽度的一至两倍距离时能够保证构筑物过流模拟的合理性与稳定性。
其中,所述控制单元的中心处布置相应的河道断面以及定义该河道断面位置处的流体变量。
S2、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息、预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线,获取河道各控制单元一般界面的初始数值通量。
所述一维河网数学模型初始化信息包括:用户对河道各断面赋值的初始水位、初始流量以及用户对河道的边界赋值的外边界值。
在本实施例的实际应用中,所述S2具体包括:
根据所述一维河网数学模型初始化信息,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道内部的各控制单元的一般界面的初始数值通量。
根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道两端边缘的控制单元的一般界面的初始数值通量。
在本实施例的实际应用中,所述构筑物界面的初始数值通量包括:构筑物界面的初始质量通量、构筑物界面的初始动量通量。
S3、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式、预先设定的一维河网数学模型的初始化信息和预先确定的初始水工构筑物界面过水面积,获取河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量。
所述初始水工构筑物过流方式和初始水工构筑物界面过水面积与所述预先设定的一维河网数学模型的初始化信息中的水位对应。
在本实施例的实际应用中,所述S3具体包括:
S31、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式和所述一维河网数学模型初始化信息,利用与所述初始水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式计算得到河道中所述水工构筑物的初始过流量,并将该水工构筑物的初始过流量作为构筑物界面的初始质量通量。
S32、根据初始水工构筑物界面过水面积,利用公式(A)计算得到构筑物界面的初始动量通量。
所述公式(A)为:
W 1为构筑物界面的初始动量通量。
对于构筑物界面来说,首先根据水工构筑物过流方式(如自由出流、淹没出流、孔流、无孔流),在本实施例中,因为是初始时刻,所以此时的水工构筑物的过流方式是预先确定的,结合水工构筑物上下游断面的水位、流速,利用相应的构筑物过流公式可计算得到构筑物过流量。然后将过流量作为构筑物界面的质量通量,然后再根据初始水工构筑物界面过水面积,进而利用式(A)计算构筑物界面的动量通量,至此构筑物界面的数值通量均被计算得到。
在本实施例的实际应用中若本实施例中的水工构筑物为水堰时,若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为自由出流方式,则与所述自由出流方式方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-1)。
所述公式(1-1)为:
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为淹没方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-2)。
所述公式(1-2)为:
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为孔流方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-3)。
所述公式(1-3)为:
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为无孔流方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-4);
所述公式(1-4)为:
S4、根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线、和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量,获取预先设定的目标时刻的各控制单元中心的流体变量值。
在本实施例的实际应用中,所述S4具体包括:
S41、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息,对预先设定的一维河网数学模型进行初始化获取初始化后的一维河网数学模型。
S42、若所述目标时刻为当前时刻之后的时刻,则根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量,采用所述初始化后的一维河网数学模型,计算得到目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
在本实施例的实际应用中,所述S42具体包括:
S421、采用CFL条件确定所述一维河网数学模型的时间步长。
在具体应用中,一维河网数学模型的计算的时间步长是受限于CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)稳定性条件,即:
C为Courant数,取值[0, 1]。
N为控制单元总数。
u i 为断面平均流速。
g为重力加速度。
A i 为过水断面面积。
B i 为过水断面宽度。
S422、根据河道各控制单元一般界面的当前的数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量,采用一维水动力模型,得到河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量。
所述河道各控制单元一般界面的当前的数值通量为河道各控制单元一般界面的初始数值通量或者为河道各控制单元一般界面的新的数值通量。
河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量为道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量或者为道各控制单元的构筑物界面的新的数值通量。
S423、判断是否到达目标时刻,若达到,则将已得到的各控制单元的流体变量作为目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
若没有达到目标时刻,根据河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项,获取河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件。
所述河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件包括:河道在经过一次时间步长后所对应的水位以及流量。
S424、根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道各控制单元的一般界面在经过一次时间步长后的新的数值通量。
S425、根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,确定与该河道经过一次时间步长后所对应的外边条件对应的新的水工构筑物过流方式,并利用与所述新的水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式计算得到河道中所述水工构筑物的新的过流量,并将该水工构筑物的新的过流量作为构筑物界面在经过一次时间步长后的质量通量。
根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,确定与该河道经过一次时间步长后所对应的外边条件对应的新的水工构筑物界面过水面积,并进一步根据所述新的水工构筑物界面过水面积采用公式(B)计算得到构筑物界面在经过一次时间步长后的动量通量。
所述公式(B)为:
S426、根据各控制单元一般界面在经过一次时间步长后的数值通量和构筑物界面在经过一次时间步长后的新的数值通量,采用所述一维河网数学模型,获取各控制单元在经过一次时间步长后的流体变量。
构筑物界面新的数值通量包括:构筑物界面在经过一次时间步长后的质量通量以及构筑物界面在经过一次时间步长后的动量通量。
S427、重复步骤S423-S427直至控制单元在经过时间步长后大于或等于目标时刻,则将该控制单元在经过时间步长后的流体变量作为目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
在具体应用中,所述一维河网数学模型为:
其中,U为流体变量。
F为一般界面或构筑物界面的数值通量。
S为源项。
t为时间;x为河道长度距离。
举例说明如下:
当水工构筑物为水堰时,以水堰过流模拟为例,对比河道有水堰和无水堰时的水位、流量沿程变化,通过结果说明本实施例中一维河道水工构筑物过流模拟方法的合理性与稳定性。算例设定河道长1000m,宽50m,河道断面形状为矩形,坡度为0,上游给定50m3/s恒定入流,下游给定1.0m水位。在河道中间500m位置处有一挡水堰,水堰宽50m,高1.0m。河道离散为大小相同的20个控制单元,每个单元长50m,河道糙率设为0.025,初始时刻各单元水位均设为1.0m,流量均设为50m3/s。参见图3,从水面线的变化可以看出当河道没有水堰时上游水位稳定在1.382m,当河道有水堰时上游水位有明显的雍高,达到1.678m,水流经过水堰时同样有明显的跌落过程,而在河道的后半段有水堰和无水堰最终会保持相同的水位过程。从实际工程考虑,河道中有水堰时会束窄水流,降低水流的过流能力,导致堰前水面升高,堰后水面降低,因此模拟结果符合水流实际变化规律,能够合理模拟出构筑物过流流态变化。从单元流量的变化来看,有水堰和无水堰各单元最终流量都会达到50m3/s,符合连续性方程,这说明本发明处理构筑物过流的方法能够保证数学模型的质量守恒特性。以上结果说明本实施例提出的一维河道水工构筑物过流模拟方法是成功的。
另一方面,参见图4,本实施例还提供一种一维河道水工构筑物过流模拟系统,包括:
至少一个处理器;以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器,其中,所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令,所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的一维河道水工构筑物过流模拟方法。
本发明的一维河道水工构筑物过流模拟方法,由于采用水工构筑物的过流量作为质量通量的处理方式没有改变有限体积格式下的Saint-Venant方程的物理意义,水流仍然是从控制单元的界面处流入或流出,不会出现含义不明的源项水量变化。同时构筑物界面位置处也无需再进行流体变量重构,节省计算耗费。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此,本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例,或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
应当注意的是,在权利要求中,不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中,这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用,仅是为了表述方便,而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外,需要说明的是,在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述,是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也应该包含这些修改和变型在内。
Claims (10)
1.一种一维河道水工构筑物过流模拟方法,其特征在于,包括:
S1、根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置,并采用中心格式有限体积法对河道进行离散化,获取该河道所对应的多个的控制单元;
其中,每一控制单元均对应一般界面和/或构筑物界面;
S2、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息、预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线,获取河道各控制单元一般界面的初始数值通量;
S3、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式、预先设定的一维河网数学模型的初始化信息和预先确定的初始水工构筑物界面过水面积,获取河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量;
所述一维河网数学模型初始化信息包括:用户对河道各断面赋值的初始水位、初始流量以及用户对河道的边界赋值的外边界值;
所述初始水工构筑物过流方式和初始水工构筑物界面过水面积与所述预先设定的一维河网数学模型的初始化信息中的水位对应;
S4、根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线、和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量,获取预先设定的目标时刻的各控制单元中心的流体变量值。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S1中根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置,具体包括:
在河道中的水工构筑物的上下游分别选取河道断面,并使该水工构筑物上下游分别对应的河道断面之间的距离为所述水工构筑物垂直水流方向宽度的一至两倍;
其中,所述控制单元的中心处布置相应的河道断面以及定义该河道断面位置处的流体变量。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述S2具体包括:
根据所述一维河网数学模型初始化信息,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道内部的各控制单元的一般界面的初始数值通量;
根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道两端边缘的控制单元的一般界面的初始数值通量。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,
所述构筑物界面的初始数值通量包括:构筑物界面的初始质量通量、构筑物界面的初始动量通量。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为自由出流方式,则与所述自由出流方式方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-1);
所述公式(1-1)为:
n为水工构筑物孔数;
b为水工构筑物单孔净宽;
g为重力加速度;
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为淹没方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-2);
所述公式(1-2)为:
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为孔流方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-3);
所述公式(1-3)为:
若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为无孔流方式,则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式(1-4);
所述公式(1-4)为:
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述S4具体包括:
S41、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息,对预先设定的一维河网数学模型进行初始化获取初始化后的一维河网数学模型;
S42、若所述目标时刻为当前时刻之后的时刻,则根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量,采用所述初始化后的一维河网数学模型,计算得到目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述S42具体包括:
S421、采用CFL条件确定所述一维河网数学模型的时间步长;
S422、根据河道各控制单元一般界面的当前的数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量,采用一维水动力模型,得到河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量;
所述河道各控制单元一般界面的当前的数值通量为河道各控制单元一般界面的初始数值通量或者为河道各控制单元一般界面的新的数值通量;
河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量为道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量或者为道各控制单元的构筑物界面的新的数值通量;
S423、判断是否到达目标时刻,若达到,则将已得到的各控制单元的流体变量作为目标时刻各控制单元中心的流体变量值;
若没有达到目标时刻,根据河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项,获取河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件;
所述河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件包括:河道在经过一次时间步长后所对应的水位以及流量;
S424、根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道各控制单元的一般界面在经过一次时间步长后的新的数值通量;
S425、根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,确定与该河道经过一次时间步长后所对应的外边条件对应的新的水工构筑物过流方式,并利用与所述新的水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式计算得到河道中所述水工构筑物的新的过流量,并将该水工构筑物的新的过流量作为构筑物界面在经过一次时间步长后的质量通量;
根据河道经过一次时间步长后所对应的外边条件、河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量,确定与该河道经过一次时间步长后所对应的外边条件对应的新的水工构筑物界面过水面积,并进一步根据所述新的水工构筑物界面过水面积采用公式(B)计算得到构筑物界面在经过一次时间步长后的动量通量;
所述公式(B)为:
S426、根据各控制单元一般界面在经过一次时间步长后的数值通量和构筑物界面在经过一次时间步长后的新的数值通量,采用所述一维河网数学模型,获取各控制单元在经过一次时间步长后的流体变量;
构筑物界面新的数值通量包括:构筑物界面在经过一次时间步长后的质量通量以及构筑物界面在经过一次时间步长后的动量通量;
S427、重复步骤S423-S427直至控制单元在经过时间步长后大于或等于目标时刻,则将该控制单元在经过时间步长后的流体变量作为目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
10.一种一维河道水工构筑物过流模拟系统,其特征在于,包括:
至少一个处理器;以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器,其中,所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令,所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1-9中任一项所述的一维河道水工构筑物过流模拟方法。
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