一种基于Godunov格式的城市排水管网水流数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Godunov格式的城市排水管网水流数值模拟方法。首先建立各管段和各节点的对应关系，管段采用有限体积单元离散，水力要素存储在单元中心。根据各管段首末端单元水位或压力水头和与其相连的内节点的水位关系来选择内节点的边界条件类型，然后与外边界条件和本时刻各单元水力要素值通过HLL近似Riemann解计算各单元界面处的数值通量，从而更新所有管段单元的水力要素值到下一时刻。同时，根据内节点边界条件计算获得进入或离开内节点的流量，通过内节点处的水量平衡方程计算下一时刻内节点的水位值。该处理方法可以克服传统排水管网模型使用有限差分法带来的局限性，为城市排水管网水流数值模拟提供了一种新的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Godunov格式的城市排水管网水流数值模拟方法
本专利技术涉及市政工程领域，尤其涉及城市防洪领域，具体为一种基于Godunov格式的城市排水管网水流数值模拟方法。
技术介绍
城市排水管网是指由一系列排水管段首尾相互连接形成的具有水力联系的统一整体，管段和管段之间通过雨篦子、检查井和雨水井等进行连接，这些连接点定义为节点。在城市排水管网计算中，外边界条件施加的节点一般定义为外节点，其它节点为内节点。在我国快速城市化的大背景下，随着极端天气频发，城市洪涝问题日益突出。城市洪涝模型作为一种有用的工具，能够为城市洪涝问题的防治工作提供技术支持。在城市洪涝模型中，城市排水管网水流的模拟是必不可少的重要一环。当前的排水管网模型以国际商业化的软件产品为主，其中以美国环保署(EPA)开发的SWMM(StormWaterManagementModel)模型最为流行。国内也有学者从事该方面的研究工作，但还未有成熟的排水管网产品。当前，在城市排水管网的计算领域使用的主流方法都是始于上世纪70年代之后流行的有限差分法，比较经典的有SWMM模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Godunov格式的城市排水管网水流数值模拟方法，其特征在于：根据管段首末端单元水位或压力水头与内节点的水位关系确定内节点处边界条件，采用Godunov有限体积格式模拟管道内水流运动，采用窄缝法处理管道内明渠流和压力流的变化过程；具体步骤如下：/n1)获取计算范围内城市排水管网数据，包括管网平面几何拓扑数据、各管段的管径尺寸、各管段首末端的管底高程、各管网节点底高程、各管网节点的最大水深和超载水深、各管网节点面积数据；/n2)对各管段和节点进行编号，建立各管段和节点的对应关系，设定水流从节点底高程高的一端流到节点底高程低的一端为正方向，采用有限体积单元离散各排水管段，每条管段的离散...

【技术特征摘要】
1.一种基于Godunov格式的城市排水管网水流数值模拟方法，其特征在于：根据管段首末端单元水位或压力水头与内节点的水位关系确定内节点处边界条件，采用Godunov有限体积格式模拟管道内水流运动，采用窄缝法处理管道内明渠流和压力流的变化过程；具体步骤如下：
1)获取计算范围内城市排水管网数据，包括管网平面几何拓扑数据、各管段的管径尺寸、各管段首末端的管底高程、各管网节点底高程、各管网节点的最大水深和超载水深、各管网节点面积数据；
2)对各管段和节点进行编号，建立各管段和节点的对应关系，设定水流从节点底高程高的一端流到节点底高程低的一端为正方向，采用有限体积单元离散各排水管段，每条管段的离散单元沿正方向依次编号；水力变量存储在各单元中心点；确定排水管网的入流边界和出流边界，入流边界和出流边界统称为外边界，施加外边界条件的节点称为外节点，其余节点称为内节点；
3)城市排水管网模型初始化：给各管段一维有限体积单元设置糙率和水力条件初始值；给管网内节点设置初始水力条件；
4)确定计算时间步长dt：城市排水管网模型采用显格式的有限体积法求解，该时间步长获取受到CFL条件限制；获取当前时刻各管段外边界条件，当前时刻以t时刻表示；
5)采用管道明渠流和压力流统一的方程组描述管道水流运动，具体形式如下：
连续方程：



动量方程：



式中Q为断面流量，A为过水断面面积，g为重力加速度，t为时间变量，sf为沿程阻力损失，其表达式为sf＝(n2Q|Q|)/(A2R4/3)，R为水力半径，n为Manning糙率系数；当管道内为明渠流时，B为水面宽度，H为水位；当管道内为压力流时，B＝gA/a2，a为压力波波速，H为压力水头；
6)根据内节点水位和与其相连的各管段的首末端单元的水位或压力水头的关系来判断使用不同的内节点边界条件，从而计算流入或流出内节点的水量，具体过程如下：
a)计算与内节点连接的上游管段流入内节点的流量时，情况如下：
如果上游管段最后一个单元有水，并且内节点水位值小于该单元底高程值，则此时按自由出流边界条件计算进入内节点的流量；
如果上游管段最后一个单元有水，并且内节点水位大于、等于该单元底高程值，则此时按水位边界条件计算进入内节点的流量；
如果上游管段最后一个单元没有水，并且内节点水位大于该单元底高程值，则此时按照水位边界条件计算进入内节点的流量，此种情况下，水流倒流，进入内节点的流量为负值；
如果上游管段最后一个单元没有水，并且内节点水位小于、等于该单元底高程值，则此时按照固壁边界条件计算进入内节点的流量，此时进入内节点的流量为0；
b)计算与内节点连接的下游管段流出内节点的流量时，情况如下：
如果下游管段第一个单元有水，并且内节点水位大于、等于该单元底高程值，则此时按水位边界条件计算流出内节点的流量；
如果下游管段第一个单元有水，并且内节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大伟，向立云，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11