一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法，包括：基础条件的输入、运行基于有限元的非恆定水流模块、水力要素的计算、河床地形信息的更新、将计算得到的水力要素和更新的河床地形信息传递给冰河运动模块、水沙条件下各冰河要素的计算更新、将计算的冰河要素和更新的河床地形信息反馈给非恆定水流模块更新水力要素、依次计算不同耦合时间的水力要素、何冰要素和河床地形信息，直至结束时间。本发明专利技术所述方法能够准确模拟非恒定水流变化、河冰动力过程、非均匀泥沙运动和河床冲淤变化，能广泛适用于高纬度河流的河冰问题研究。相比传统的河流动力学模型，所述模拟方法能适用于不同河流不同季节的水冰沙问题研究，适用范围更广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法
本专利技术涉及一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法，是一种水利工程技术的方法，是一种根据现实的技术数据利用计算机模拟河流中的水冰沙相互影响的方法。
技术介绍
高纬度河流均会遇到季节性的河冰影响，冬季低温条件下的河冰过程不仅引起河道阻力的变化，诱发冰凌洪水，还显著影响河流输沙能力与河道演变。受高纬度冬季低气温的影响，随着河道水体持续失热，河流中出现冰花、流冰和冰盖等变化。冰花和流冰会耗散水体动能，进而影响河流的挟沙力及冬季河道演变过程。河道冰盖形成、上溯发展及加厚过程增加了断面湿周，导致河道整体阻力系数急剧增加，断面过流能力减少，进而影响河流输沙能力和河床演变。此外，封河和开河期的气温剧烈变化及径流变化，易诱发冰塞冰坝的形成，引起冰凌洪水，严重威胁河流两岸人民的生命财产安全。传统的河流动力学只考虑水流、泥沙和河道边界三者之间的耦合作用，目前的水沙研究及工程设计也只考虑非结冰条件下的水沙运动规律。这些研究具有如下局限性：第一，忽略了北方河流冬季结冰过程对水流运动、泥沙输运和河床演变的影响，无法准确反映不同季节性的河道变化规律；第二，忽略冰塞冰坝等极端条件下的含沙量变化和河床侵蚀，不利于河流的防凌减灾工作，不能满足北方河流冬季输水安全要求；第三，忽略河冰存在对水体动能和势能的影响，不能准确计算河冰影响下的水位变化，也不能正确评估冰期的泥沙输运和河床冲淤规律。传统的河流动力学模型不能考虑北方河流特有的季节性河冰过程，无法模拟实际工程中的复杂水冰沙耦合作用。因此，亟需开发一种耦合水冰沙作用的河冰数值模拟方法。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法。所述的方法采用基于非结构网格的有限元法计算非恒定水流运动、推移质输沙率和河道冲淤变形，利用无网格的光滑粒子法计算河冰的运动、分布、水力和动力加厚过程，通过给定耦合时间下的信息传递和反馈，调整变化河冰条件下的水流和泥沙过程，进而实现高纬度河流冰期水冰沙耦合数值模拟。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法，包括以下步驟：步骤1，基础条件的输入：输入包括地形、水位、流量、气象数据、模型参数、初始条件及边界条件在内的各个基础条件；步骤2，运行基于有限元的非恒定水流模块：基于三角形的非结构网格，采用迎风格式的Petrov-Galerkin型有限元方法求解下述非恒定平面二维浅水方程组(1)至(3)：其中，x为水流方向；y为横断面方向；t为时间；H是总水深；qtx，qty分别两个方向的单宽流量；N为冰的面密度；t′i为冰在水中的淹没厚度；Ht为冰下有效的过流水深；ρ为水的密度；Txx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Txy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Tyy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；Tyx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；τsx为冰水界面沿x方向的切应力；τsy为冰水界面沿y方向的切应力；τbx为床面与水流沿x方向的切应力；τby为床面与水流沿y方向的切应力；g为重力加速度；η为水面高程；步骤3，水力要素的计算：通过给定时间步长，循环计算上述方程组(1)至(3)，得到耦合时间的包括水位、流速、水温、流量、床面切应力在内的水力要素；步骤4，河床地形信息的更新：利用二维泥沙模块求解方程(4)和(5)，计算包括输沙率、床面冲淤变化、含沙量和河床高程在内的河床地形要素，获得更新的河床地形信息；其中，ub为推移质泥沙的运动速度；qb为推移质泥沙的输沙率；α′bx，α′by分别为两个方向考虑岸坡的推移质运动修正系数；α为悬移质的恢复饱和系数；ωs为泥沙颗粒的沉速；C*为悬移质的饱和输沙浓度；C为悬移质的水深平均浓度；p′m为床沙的孔隙率；zb为河床高程；步骤5，将步骤3计算得到的水力要素和步骤4更新的河床地形信息，传递给冰河运动模块；步骤6，水沙条件下各冰河要素的计算更新：利用冰河运动模块，采用无网格的光滑粒子法计算方程(6)至(9)，获得更新水沙条件下的包括冰厚、冰浓度、冰速和冰摩擦力在内的冰河要素；M＝ρiNti(8)其中，M为单位面积冰的质量；为冰速向量；为冰内部的相互作用力；为风作用在冰上的力；为水流作用在冰上的力；为重力在水平方向的分力；Em为单位面积冰的增长速率，由热力生长消融或外部源汇控制；Ra为机械作用引起的冰面积变化；Ea为冰面积的热力生长消融速率；步骤7，将步骤6计算的河冰要素和步骤4更新的河床地形信息反馈给步骤2所述的非恒定水流模块，更新水力要素；步骤8，重复步骤2～7，依次计算不同耦合时间的水力要素、河冰要素和河床地形信息，直至结束时间。本专利技术的优点和有益效果是：本专利技术通过非结构网格的有限元法计算非恒定水流过程，将计算的水力要素传递给二维泥沙模块，得到输沙率、床沙粒径和河床高程等，再将计算的水沙要素传递给河冰运动模块，进而计算水沙影响下的冰厚、冰速、冰浓度及冰摩擦力等冰情要素。将计算的冰情和泥沙要素反馈到非恒定水流模块，重新校正耦合时间下稳定的水位、流量过程，实现水冰沙的耦合数值模拟。本专利技术所述模拟方法能够准确模拟非恒定水流变化、河冰动力过程、非均匀泥沙运动和河床冲淤变化，能广泛适用于高纬度河流的河冰问题研究。相比传统的河流动力学模型，所述模拟方法能计算冰期和冰期的水流、泥沙和河床变化，能适用于不同河流不同季节的水冰沙问题研究，适用范围更广。所述模拟方法考虑自然因素更多，更接近工程实践问题，计算结果更加真实可靠，为高纬度河流防凌减灾和水安全提供了有力的技术支持。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术所述二维水冰沙耦合数学模型理论框架图；图2是本专利技术实施例所述基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法的实施流程图；图3是本专利技术实施例所述梯形河道的断面示意图；图4为本专利技术实施例所述河道拦冰栅前冰塞体分布及河床高程分布图；图5为本专利技术实施例所述河道冰塞引起的河床冲淤变化分布图；图6为本专利技术实施例所述河道中轴线上河床高程、水面及冰面分布图。具体实施方式实施例：本实施例是一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法，应用到一顺直梯形河渠冰塞过程引起的水沙运动及河床冲淤变化分析中，理论框架见图1。本实施例通过非结构网格的有限元法计算非恒定水流过程，将计算的水力要素传递给二维泥沙模块，得到输沙率、床沙粒径和河床高程等，再将计算的水沙要素传递给河冰运动模块，进而计算水沙影响下的冰厚、冰速、冰浓度及冰摩擦力等冰情要素。将计算的冰情和泥沙要素反馈到非恒定水流模块，重新校正耦合时间下稳定的水位、流量过程，实现水冰沙的耦合数值模拟。本实施例所述方法的具体实施步骤和流程图如图2所示，包括以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：/n步骤1，基础条件的输入：输入包括地形、水位、流量、气象数据、模型参数、初始条件及边界条件在内的各个基础条件；/n步骤2，运行基于有限元的非恒定水流模块：基于三角形的非结构网格，采用迎风格式的Petrov-Galerkin型有限元方法求解下述非恒定平面二维浅水方程组(1)至(3)：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于河冰动力学的水冰沙耦合数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
步骤1，基础条件的输入：输入包括地形、水位、流量、气象数据、模型参数、初始条件及边界条件在内的各个基础条件；
步骤2，运行基于有限元的非恒定水流模块：基于三角形的非结构网格，采用迎风格式的Petrov-Galerkin型有限元方法求解下述非恒定平面二维浅水方程组(1)至(3)：









其中，x为水流方向；y为横断面方向；t为时间；H是总水深；qtx，qty分别两个方向的单宽流量；N为冰的面密度；t′i为冰在水中的淹没厚度；Ht为冰下有效的过流水深；ρ为水的密度；Txx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Txy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Tyy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；Tyx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；τsx为冰水界面沿x方向的切应力；τsy为冰水界面沿y方向的切应力；τbx为床面与水流沿x方向的切应力；τby为床面与水流沿y方向的切应力；g为重力加速度；η为水面高程；
步驟3，水力要素的计算：通过给定时间步长，循环计算上述方程组(1)至(3)，得到耦合时间的包括水位、流速、水温、流量、床面切应力在内的水力要素；
步骤4，河床地形信息的更新：利用二维泥沙模块求解方程(4)和(5)，计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘佳佳，郭新蕾，王涛，付辉，李甲振，郭永鑫，余弘婧，施春蓉，路锦枝，杨涛，
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