CN116451611A - 明满流仿真模型构建、模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供明满流仿真模型构建、模拟方法及系统，能够适用于长距离调水工程中实际大压力波波速下的明满流仿真模拟，显著抑制数值震荡，并具有较高的仿真精度和计算效率。明满流仿真模型构建方法包括：针对明满流过渡数值模拟，修正波速计算方法，并且通过添加数值粘性的方式对HLLS格式进行修正，同时对源项进行修正，基于合适的数值格式，构建能够不影响明流计算精度前提下有效抑制明满流数值震荡的明满流过渡仿真模型。明满流仿真模拟方法，包括：步骤I，构建前述明满流仿真模型；步骤II，基于待模拟的水利情况和实测数据，采用明满流仿真模型进行模拟。明满流仿真模拟系统能够自动实现前述仿真模型构建方法和仿真模拟方法。
Description
技术领域
本发明属于水利系统自动化调度技术领域，具体涉及明满流仿真模型构建、模拟方法及系统。
背景技术
长距离调水工程为解决水资源供需矛盾提供了载体，但只有结合渠系自动化控制才能使工程效益最大化、水量分配最优化。调水工程中，通常以明渠作为主要输水建筑物。然而，近年来由于耕地红线的限制，大型跨流域调水工程愈来愈倾向使用隧洞和倒虹吸等建筑物。如某引水工程使用了63千米长的隧洞，另一工程采用了72km长的倒虹吸，这些水工建筑物不可避免的带来了明满流交替的问题。传统长距离明渠系统一般将倒虹吸视作节点水头损失处理，忽略了其内部有压流的影响及调度过程中倒虹吸的安全问题。由于一般倒虹吸采用的材质为PCCP管，其压力波波速可达到1000m/s。渠隧系统调度不当时，可能在倒虹吸内产生的压力峰值超过管道最大能承受压力，进而造成爆管等严重的事故。故在渠隧系统运行调度中考虑明满流问题是安全、高效运行的必然要求和保障。
明满流仿真模型是探究渠隧系统水力响应特性及自动化运行调度研究的前提，然而由于明渠流和有压流具有不同的控制方程，这给建立复杂明满流渠隧系统仿真模型带来了巨大的挑战。通过在过流断面上方添加无限长的窄缝的方法可以统一明渠流和有压流的控制方程，但由于压力波波速与明渠重力波波速相差两个量级，导致明满流分界面两侧通量不守恒引起剧烈的数值震荡。虚假的数值震荡经常会导致程序崩溃，计算结果与实际情况相差较大的情况。因此，部分学者提出了较多的抑制明满流仿真中虚假数值震荡的方法，如采用较小的压力波波速、高精度复杂计算格式或采用人工粘性的方式抑制数值震荡。然而，这些仿真方法过于复杂难以应用，或存在难以确定的参数，或仿真结果与试验相差较大。因此，当其应用于长距离复杂渠隧明满流系统时，其可能会产生较大的偏差，难以模拟复杂的工程实际或仿真效率低下，进而影响渠隧系统运行调度的安全性和高效性。
综上所述，针对跨流域调水工程涉及明满流交替的现象，其自动化调度过程中压力管道的安全问题，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：提出一种适用于较大压力波波速(例如，达到1000m/s，与实际压力波波速处于同一个水平)的明满流仿真模型，该模型能够满足以下方面的要求：1)在明满流仿真层面，能够同时满足明渠流及有压流的仿真，并且显著抑制明满流交替产生的数值震荡，具有较高的仿真精度；2)在流态仿真层面，能够兼顾缓流、急流、有压流及明满流等各种流态；3)仿真模型应满足结构简单，参数较少且便于确定，同时计算效率较高，从而便于实际应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了明满流仿真模型构建、模拟方法及系统，能够适用于长距离调水工程中实际大压力波波速下的明满流仿真模拟，显著抑制数值震荡，并具有较高的仿真精度和计算效率。本发明采用了以下方案：
<模型构建方法>
本发明提供明满流仿真模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1，针对明满流过渡数值模拟，基于合适的数值格式，构建能够不影响明流计算精度前提下有效抑制明满流数值震荡的明满流过渡仿真模型；
修正波速计算方法为：
式中，λ表示波速，u表示断面平均流速，c表示重力波波速，A表示断面的过流面积，下标i表示第i个控制体，i+1/2表示第i个控制体的中心，i-1/2表示第i-1个控制体的中心；
并且，通过添加数值粘性的方式对HLLS格式进行修正：
修正源项处理方法为：
式中，表示断面平均源项，/>表示源项产生的驻波对通量的影响，g表示重力加速度,h表示水深，PaHmax表示添加数值粘性后的中心断面水深，Hmax为封闭断面的最大水深，Pb表示添加数值粘性的起点，I1表示静水压力影响，下标/>表示平均水位对应的静水压力，Sf表示摩阻源项，δ表示导数，Δx表示网格大小。
优选地，本发明提供的明满流仿真模型构建方法，还包括：步骤2，在步骤1的基础上，针对复杂明满流系统的断面形状、底坡、糙率、压力波波速建立物理模型，确定合适的网格大小及时间步长，建立真实的物理模型。
优选地，本发明提供的明满流仿真模型构建方法，步骤2包括如下子步骤：
步骤2-1，将明满流系统划分为多个间距相等的断面，在断面处施加相应的过流断面流量、水深初始条件及底坡、糙率物理参数；
步骤2-2，通过压力管道的材料的弹性模量等物理性质确定相应压力波波速大小，依据柯朗条件计算得到对应网格下的时间步长，取最小时间步长作为全局统一的时间步长；
步骤2-3，依据现实明满流系统边界设置相应的边界条件变化过程，建立真实的物理模型。
<仿真模拟方法>
优选地，本发明提供的明满流仿真模拟方法，包括：
步骤I，构建权利要求1～3中任意一项所述的明满流仿真模型；
步骤II，基于待模拟的水利情况和实测数据，采用明满流仿真模型进行模拟。
优选地，本发明提供的明满流仿真模拟方法，在步骤II中，基于待模拟的水利情况和实测数据，采用明满流仿真模型计算进入和流出各控制体的通量，具体顺序为：①根据相邻断面信息求解平均水力要素；②通过数值粘性参数判断是否增添数值粘性；③计算波速及源项；④判断网格流态并计算通量；⑤根据控制体通量求解下一时刻断面信息；⑥判断是否达到计算结束时间，是则输出结果并结束，否则重复步骤①～⑤。
优选地，本发明提供的明满流仿真模拟方法，在步骤II中，基于步骤①～④的数值格式计算得到进入和流出每个控制体的通量后，采用以下公式得到下一时刻的控制体平均水位、流量，将其作为下一时刻的断面初始条件继续进行计算；
式中，上标L和R分别表示中心断面的左侧、右侧，Δt表示时间步长，Δx表示网格大小；U为断面的守恒变量[A,Q]T，F为断面的通量[Q,Q2/A+gI1]T，Q为流量；
判断计算时间是否达到指定的计算结束时间，若达到则根据所需的断面信息输出相应的水位、流量结果；若未达到结束时间则重复步骤①～⑤直至达到计算结束时间为止。
<系统>
进一步，本发明还提供了明满流仿真模拟系统，能够自动实现上述<方法>，包括：
数值模型构建部，针对明满流过渡数值模拟，基于合适的数值格式，构建能够不影响明流计算精度前提下有效抑制明满流数值震荡的明满流过渡仿真模型；
修正波速计算方法为：
式中，λ表示波速，u表示断面平均流速，c表示重力波波速，A表示断面的过流面积，下标i表示第i个控制体，i+1/2表示第i个控制体的中心，i-1/2表示第i-1个控制体的中心；
并且，通过添加数值粘性的方式对HLLS格式进行修正：
修正源项处理方法为：
式中，表示断面平均源项，/>表示源项产生的驻波对通量的影响，g表示重力加速度,h表示水深，PaHmax表示添加数值粘性后的中心断面水深，Hmax为封闭断面的最大水深，Pb表示添加数值粘性的起点，I1表示静水压力影响，下标/>表示平均水位对应的静水压力，Sf表示摩阻源项，δ表示导数，Δx表示网格大小。
物理模型构建部，在明满流过渡仿真模型的基础上，针对复杂明满流系统的断面形状、底坡、糙率、压力波波速建立物理模型，确定合适的网格大小及时间步长，建立真实的物理模型；
仿真模拟部，根据明满流过渡仿真模型和真实的物理模型，得到明满流仿真模拟模型，并基于待模拟的水利情况和实测数据，采用该明满流仿真模拟模型进行仿真模拟；
控制部，与数值模型构建部、物理模型构建部、仿真模拟部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的明满流仿真模拟系统，还可以包括：调度部，与控制部通信相连，根据仿真模拟结果，生成输水系统或渠隧系统运行调度方案。
优选地，本发明提供的明满流仿真模拟系统，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
优选地，本发明提供的明满流仿真模拟系统，控制部能够基于用户输入或导入的待模拟的水利情况和实测数据，采用明满流仿真模型，①根据相邻断面信息求解平均水力要素；②通过数值粘性参数判断是否增添数值粘性；③计算波速及源项；④判断网格流态并计算通量；⑤根据控制体通量求解下一时刻断面信息；⑥判断是否达到计算结束时间，是则输出结果并结束，否则重复①～⑤。
发明的作用与效果
(1)本发明修正了原格式波速的计算方式，改变了星形区域的计算方法以添加数值粘性，并修正了其源项的计算方法，得到的明满流仿真模型(PHLLS)能够有效抑制数值震荡问题，避免窄缝及较大压力波波速对数值误差的放大，对长距离复杂渠隧调水工程安全高效运行、保障工程运行安全具有重要意义。
(2)PHLLS仿真模型结构较简单，参数较少且便于确定，计算方便，计算效率较高，便于实际应用。并且该仿真模型能够较好地处理地形变化及断面沿程变化的情况，能够有效应对长距离复杂渠隧系统底坡、断面形状频繁变化的情况。
(3)建立的PHLLS仿真模型鲁棒性较强，能够适应各种流态情况下的模拟，在明渠流、有压流及明满流过渡中均表现出较高的精度，特别有利于提高长距离、大压力波波速渠隧调水工程的模拟精度，进而提高运行管理和自动化调度水平、降低安全风险。为探究渠隧系统水力响应特性及自动化运行调度提供了新途径。
附图说明
图1为本发明实施例一涉及的玻璃渠道明满流过渡实验装置纵剖面图；
图2为本发明实施例一涉及的实验边界条件及A、B、C、D测压管水头模拟结果图；
图3为本发明实施例一涉及的管道明满流交替实验装置图；
图4为本发明实施例一涉及的实验G1、G2、G3、G4、G5、G6结果及仿真结果对比图；
图5为本发明实施例一涉及的陡坡管道明满流过渡实验装置结构示意图；
图6为本发明实施例一涉及的P5、P7测压水头实测值(空心点)与仿真结果(PHLLS)对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的明满流仿真模型构建、模拟方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
本实施例提供的明满流仿真模型构建及模拟方法具体如下：
一、数值格式建立过程：
①控制方程
式中，A为过流断面面积，Q为流量，g为重力加速度，S0为河床底坡，Z0为河床底部高程(深泓线高程)。
式中，积分gI1表示静水压力，而积分gI2表示由于纵向宽度变化引起的侧向压力，h和b分别代表水深和自由液面宽度。将控制方程写成如下向量形式：
式中，U为守恒变量表示为[A,Q]T，F为通量表示为[Q,Q2/A+gI1]T，S为源项表示为[0,gA(S0-Sf)+gI2]T。
②离散方法
式中，为源项，Δt为时间步长，/>为最快和最慢信号在Δt时间内的积分平均值；
③明满流数值粘性添加方法
明满流的模拟中经常会遇到严重的数值震荡问题，因为明满流交界面的运动速度远小于压力波波速，导致明满流交界面在网格中停留了多个时间步长，从而导致压力波在交界面处的通量与解析解不一致，导致错误的数值震荡。我们发现可以通过调整波速的方式来增添数值粘性，从而抑制数值震荡。波速的计算方法如下所示：
进一步，通过增添了如下方式，改变黎曼区域的面积计算方法。该方法能够增大明满流分界面处的波速使其接近压力波波速，从而添加了足够的数值粘性。
Ai+1/2＝A(PaHmax),hi>PbHmax or hi+1>PbHmax (式11)
但由于通量考虑源项的数值格式在进行明满流交替仿真时，由于窄缝的存在，导致断面形状突变。原始的源项计算方法在明满流过渡发生时会失效，故我们对其进行了改进如下：
二、数值模型使用方法
仅有数值格式不足以模拟明满流过渡过程，为了较好地使用上述数值模型来模拟真实的明满流过渡过程，需按照以下步骤进行：
①针对真实的明满流系统建立物理模型，确定合适的网格大小及时间步长，建立真实的物理模型。根据真实的物理系统，给定相应的边界条件。
具体的实施步骤为：1)将明满流系统划分为若干个间距相等的断面，在断面处施加相应的过流断面流量、水深初始条件及底坡、糙率等物理参数；2)通过压力管道的材料的弹性模量等物理性质确定相应压力波波速大小，依据柯朗条件可以计算得到对应网格下的时间步长，取最小时间步长作为全局统一的时间步长；3)依据现实明满流系统边界设置相应的边界条件变化过程。
②根据设置的边界条件随时间变化过程，在每一时刻设置相应的边界条件。
具体的边界条件可一般分为固定流量边界、固定水位边界、连通边界和固壁边界，具体设置方法如下：
固定流量边界：水流在仿真区域的入口或出口以恒定的流量进入或流出仿真区域，其流量大小不随流态变化而变化。设置方法为，(进口边界)， (出口边界)。
固定水位边界：水流在仿真区域的入口或出口受到溢流堰等控制建筑物的影响，水位保持在某个恒定值，因此可以假设水位在边界处是固定的，可以转化为过流面积在边界处是固定的。设置方法为，(进口边界)，/>(出口边界)。
连通边界：水流在仿真区域的入口或出口没有受到阻碍，因此可以假设水流状态在边界处是连续变化的。虚拟网格内的状态量可以认为与相邻网格在上一时刻的值相同，设置方法为，(进口边界)，/>(出口边界)。
固壁边界；该条件下，水流在仿真区域的入口或出口受到壁面的阻碍，形成一个与水流方向相反的水波逆水流方向传递，因此可以假设水流状态在边界处是方向相反的。虚拟网格内的状态量可以认为与相邻网格在上一时刻的值相反，设置方法为，(进口边界)，/>(出口边界)。
其中下标表示空间网格编号，上标表示时间计数编号。
③在每个控制体中应用提出的数值格式求解断面处通量。
通过添加数值粘性参数计算各控制体中心断面的过流断面面积。当中心断面水深超过数值粘性增添阈值时，修改了其面积计算方法，从而改变了波速计算结果以增添数值粘性。波速的计算方式如下所示：
依据波速判断控制体内的流态，进而选择通量的计算方法。当控制体内为急流时(0≤λi或0≥λi+1)，水流只受到来流方向的影响，故通量与水流来流方向的通量相等；当控制体内为缓流时(λi≤0≤λi+1)，其按照给出的数值格式即可求得该控制体内的通量。重复该步骤即可得到所有控制体中心断面的通量。
④根据第③步计算得到的通量计算下一时刻控制体的守恒变量均值，更新断面物理变量，选择是否输出当前时刻的物理量。
本实施例基于一阶精度的有限体积法，假设计算区域分布在x轴，仿真计算区域被划分为N+1个均匀的计算网格，网格大小为△x，其中第i个控制体网格的中心点位于xi，控制体边界位于xi-1/2和xi+1/2，网格所包含的计算区域为[xi-0.5△x,xi+0.5△x]。仿真时长同样被划分为若干步，时间步长为△t。将控制方程在第i个计算网格在一个时间步内进行积分可得到如下的计算步骤。通过在每个控制体内进行计算可以得到下一时刻的控制体中心守恒变量。
⑤判断是否达到计算结束时间，是则输出结果并结束，否则重复步骤②～④。
以上构建的仿真模型能够将实际物理模型简化为一维模型，建立与真实系统一致的数值模型，通过赋予相应的边界条件，该仿真模型能够模拟明满流过渡的真实过程，并输出系统压力响应过程，从而判断压力管道的压力是否超限，进一步判断运行调度导致明满流过渡过程中的管道安全问题。此外，该仿真模型能够应对长距离复杂渠隧系统中的各种流态，包括缓流、急流、水跃等常见情况以及明渠流、有压流及明满流过渡，能够实现更加精确的模拟。同时，该仿真模型的计算效率较高，能够用于长距离调水工程中渠隧系统的模拟。
三、结合实施例说明仿真模型模拟精度及性能
(1)数值粘性参数设置说明
对于需要添加的数值粘性参数，其物理意义明确，只需保证PaHmax大于明满流交替过程中的最大压力水头，Hmax为封闭断面的顶部高程(即水深能达到的最大值，由断面形状确定)，Pb一般取0.7～0.8。通过增添数值粘性实现网格内状态量由明流向有压流的平稳过渡，可以减少数值震荡的产生，并在其产生之后加快数值震荡的耗散。并且，该方法可以方便地改变水深阈值的大小调整增添数值粘性的起点，当水深低于阈值时，数值粘性参数不影响仿真计算。
(2)仿真精度说明
在此对该仿真模型的仿真精度进行测试说明，使用了三个测试对仿真模型应对不同明满流过渡情况的能力进行了测试，压力波波速依次为20m/s、1000m/s、6m/s。
测试一：如图1所示，仿真系统为共30m长的水平渠道，在渠道顶部安装有10m长的木制顶形成一段管道，管道断面为矩形，宽为0.51m，高维0.148m，经实验率定得到管道的曼宁系数为0.012。初始条件下管道内的水深为0.128m，水体静止，随着上游渠道内的水深升高，在管道进口形成一个向下游传递的涨水波。当上游渠道内水深达到一定高度后，管道进口处出现明满流分界面。
仿真结果如图2所示，可以看到该仿真模型能够较好地模拟明流到有压流的过渡以及有压流向明流的过渡，在明满流过渡时较平滑，同时能够捕捉到陡峭的明满流交界面。除此之外，仿真模型得到的压力水头与实验实测的压力水头高度一致，仿真精度较高。
测试二：该测试为一段V型管道，管道全长12.12m，断面形状为直径为19.2cm的圆，壁面厚度4mm。上半段坡度为0.084，下半段为反坡，坡度为0.277，管道转折点距离进口处的轴向距离为7m。管道沿程安装有六个压力传感器，传感器距离管道进口的轴向距离分别为1m，3m，4.5m，6.8m，7.06m和8.52m。管道装置如图3所示，进口处于封闭状态，出口处于开敞状态，在距离进口轴向距离为5m处装有一道闸门。初始状态下闸门完全关闭，实验开始时闸门瞬间开启。
实验G1、G2、G3、G4、G5、G6结果及仿真结果对比情况如图4所示，该仿真模型与实验数据吻合度较高，且能够有效地抑制数值震荡的产生。该测试结果较好地反映了该仿真模型对于干湿边界及明满流的处理能力。
测试三：该测试算例为10m长，断面半径为0.1m，坡度为0.27的陡坡管道。由于管道坡度较陡，当下游闸门开启时，管道内的初始状态处于急流状态。如图5所示，本试验为初始流量0.0013m3/s，上游闸门开度0.014m，下游闸门完全打开。在试验开始时瞬间关闭下游闸门，30s后将下游闸门重新打开至0.008m，0.015m和0.028m。以此模拟管道中发生的急流转变为有压流，然后恢复为明流的情况。
如图6所示，仿真结果与实验数据吻合较好，并且该仿真模型有效地抑制了数值震荡。
以上测试结果表明，本发明提出的明满流仿真模型能够有效抑制明满流数值震荡问题，显著提高模型明满流过渡仿真精度，有利于增强明渠输水系统运行的安全性与高效性。
<实施例二>
进一步，本实施例二中提供能够自动实现以上本发明方法的明满流仿真模拟系统，该系统包括单像元模型构建部、事件响应模型构建部、时域分布模型构建部、概率估算部、评估确定部、输入显示部、控制部。
数值模型构建部用于执行上文步骤1所描述的内容，针对明满流过渡数值模拟，基于合适的数值格式，构建能够不影响明流计算精度前提下有效抑制明满流数值震荡的明满流过渡仿真模型。
物理模型构建部用于执行上文步骤2所描述的内容，针对复杂明满流系统的断面形状、底坡、糙率、压力波波速建立物理模型，确定合适的网格大小及时间步长，建立真实的物理模型。
仿真模拟部用于根据明满流过渡仿真模型和真实的物理模型，得到明满流仿真模拟模型，并基于待模拟的水利情况和实测数据，采用该明满流仿真模拟模型进行仿真模拟。
调度部用于根据仿真模拟结果，生成输水系统或渠隧系统运行调度方案。
输入显示部用于让用户输入操作指令，并根据操作指令对相应部的输入、输出和中间处理数据以数值、表格、图等方式进行相应显示，并能够将相应数据静态或者动态显示在二维或者三维模型上。
控制部与数值模型构建部、物理模型构建部、仿真模拟部、调度部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的明满流仿真模型构建、模拟方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.明满流仿真模型构建方法，其特征在于，包括：
步骤1，针对明满流过渡数值模拟，基于合适的数值格式，构建能够不影响明流计算精度前提下有效抑制明满流数值震荡的明满流过渡仿真模型；
修正波速计算方法为：
式中，λ表示波速，u表示断面平均流速，c表示重力波波速，A表示断面的过流面积，下标i表示第i个控制体，i+1/2表示第i个控制体的中心，i-1/2表示第i-1个控制体的中心；
并且，通过添加数值粘性的方式对HLLS格式进行修正：
修正源项处理方法为：
式中，表示断面平均源项，/>表示源项产生的驻波对通量的影响，g表示重力加速度,h表示水深，PaHmax表示添加数值粘性后的中心断面水深，Hmax为封闭断面的最大水深，Pb表示添加数值粘性的起点，I1表示静水压力影响，下标/>表示平均水位对应的静水压力，Sf表示摩阻源项，δ表示导数，Δx表示网格大小。
2.根据权利要求1所述的明满流仿真模型构建方法，其特征在于，还包括：
步骤2，在步骤1的基础上，针对复杂明满流系统的断面形状、底坡、糙率、压力波波速建立物理模型，确定合适的网格大小及时间步长，建立真实的物理模型。
3.根据权利要求2所述的明满流仿真模型构建方法，其特征在于：
其中，步骤2包括如下子步骤：
步骤2-1，将明满流系统划分为多个间距相等的断面，在断面处施加相应的过流断面流量、水深初始条件及底坡、糙率物理参数；
步骤2-1，通过压力管道的材料的弹性模量等物理性质确定相应压力波波速大小，依据柯朗条件计算得到对应网格下的时间步长，取最小时间步长作为全局统一的时间步长；
步骤2-3，依据现实明满流系统边界设置相应的边界条件变化过程，建立真实的物理模型。
4.明满流仿真模拟方法，其特征在于，包括：
步骤I，构建权利要求1～3中任意一项所述的明满流仿真模型；
步骤II，基于待模拟的水利情况和实测数据，采用明满流仿真模型进行模拟。
5.根据权利要求4所述的明满流仿真模拟方法，其特征在于：
其中，在步骤II中，基于待模拟的水利情况和实测数据，采用明满流仿真模型计算进入和流出各控制体的通量，具体顺序为：①根据相邻断面信息求解平均水力要素；②通过数值粘性参数判断是否增添数值粘性；③计算波速及源项；④判断网格流态并计算通量；⑤根据控制体通量求解下一时刻断面信息；⑥判断是否达到计算结束时间，是则输出结果并结束，否则重复步骤①～⑤。
6.根据权利要求5所述的明满流仿真模拟方法，其特征在于：
其中，在步骤II中，基于步骤①～④的数值格式计算得到进入和流出每个控制体的通量后，采用以下公式得到下一时刻的控制体平均水位、流量，将其作为下一时刻的断面初始条件继续进行计算；
式中，上标L和R分别表示左、右断面，Δt表示时间步长，Δx表示网格大小；U为断面的守恒变量[A,Q]T，F为断面的通量[Q,Q2/A+gI1]T，Q为流量；
判断计算时间是否达到指定的计算结束时间，若达到则根据所需的断面信息输出相应的水位、流量结果；若未达到结束时间则重复步骤①～⑤直至达到计算结束时间为止。
7.明满流仿真模拟系统，其特征在于，包括：
数值模型构建部，针对明满流过渡数值模拟，基于合适的数值格式，构建能够不影响明流计算精度前提下有效抑制明满流数值震荡的明满流过渡仿真模型；
修正波速计算方法为：
式中，λ表示波速，u表示断面平均流速，c表示重力波波速，A表示断面的过流面积，下标i表示第i个控制体，i+1/2表示第i个控制体的中心，i-1/2表示第i-1个控制体的中心；
并且，通过添加数值粘性的方式对HLLS格式进行修正：
修正源项处理方法为：
式中，表示断面平均源项，/>表示源项产生的驻波对通量的影响，g表示重力加速度,h表示水深，PaHmax表示添加数值粘性后的中心断面水深，Hmax为封闭断面的最大水深，Pb表示添加数值粘性的起点，I1表示静水压力影响，下标/>表示平均水位对应的静水压力，Sf表示摩阻源项，δ表示导数，Δx表示网格大小；
物理模型构建部，在明满流过渡仿真模型基础上，针对复杂明满流系统的断面形状、底坡、糙率、压力波波速建立物理模型，确定合适的网格大小及时间步长，建立真实的物理模型；
仿真模拟部，根据明满流过渡仿真模型和真实的物理模型，得到明满流仿真模拟模型，并基于待模拟的水利情况和实测数据，采用该明满流仿真模拟模型进行仿真模拟；
控制部，与数值模型构建部、物理模型构建部、仿真模拟部均通信相连，控制它们的运行。
8.根据权利要求7所述的明满流仿真模拟系统，其特征在于，还包括：
调度部，与控制部通信相连，根据仿真模拟结果，生成输水系统或渠隧系统运行调度方案。
9.根据权利要求7所述的明满流仿真模拟系统，其特征在于，还包括：
输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
10.根据权利要求7所述的明满流仿真模拟系统，其特征在于：
其中，控制部基于用户输入或导入的待模拟的水利情况和实测数据，采用明满流仿真模型，①根据相邻断面信息求解平均水力要素；②通过数值粘性参数判断是否增添数值粘性；③计算波速及源项；④判断网格流态并计算通量；⑤根据控制体通量求解下一时刻断面信息；⑥判断是否达到计算结束时间，是则输出结果并结束，否则重复①～⑤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310427387.8A CN116451611A (zh) | 2023-04-20 | 2023-04-20 | 明满流仿真模型构建、模拟方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310427387.8A CN116451611A (zh) | 2023-04-20 | 2023-04-20 | 明满流仿真模型构建、模拟方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116451611A true CN116451611A (zh) | 2023-07-18 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116451611A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111767684A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 西安理工大学 | 一种优化的摩阻源项隐式格式二维浅水方程建模方法 |
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2023
- 2023-04-20 CN CN202310427387.8A patent/CN116451611A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111767684A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 西安理工大学 | 一种优化的摩阻源项隐式格式二维浅水方程建模方法 |
| CN111767684B (zh) * | 2020-06-30 | 2024-04-19 | 西安理工大学 | 一种优化的摩阻源项隐式格式二维浅水方程建模方法 |
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