一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统，包括构建一维水动力模型；一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；构建二维水动力模型模拟地表二维浅水流动；根据一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。本发明专利技术采用一维与二维耦合的水动力学模型，可以充分考虑城镇建筑物及树木等植物对洪水传播的影响，根据河道一维流动，湖泊二维流动特性，将不同尺度、不同维度的水动力学模型进行耦合，开展不同洪水频率下的洪水影响程度与范围模拟和预测。实现城市水情形势可感知，结合上游传感仪器采集水位信息，结合闸坝调度达到削减下泄洪峰流量，实现洪水资源化的目标。化的目标。化的目标。

【技术实现步骤摘要】
一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统


[0001]本专利技术属于水动力学分析
，具体涉及一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统。

技术介绍

[0002]相关技术中，一维、二维模型间耦合方式有多种，已有研究大体上可分为侧向耦合、重叠耦合与边界搭接耦合。侧向耦合与重叠耦合适用于河网与其旁侧洪泛区的联合模拟，或者河网整体框架下局部终点关注地区的水流细节模拟。而边界搭接耦合，为一维、二维计算域在各自的计算边界处实现搭接耦合。
[0003]根据耦合连接方法的差异，又可分为直接求解法、特征方程求解法、互赋边界迭代法。直接求解多采用有限元离散，在离散方程组层面进行矩阵整体装配求解，能严格满足耦合连接条件，但缺点是不易扩展至有限差分法和有限体积法，不利于利用现有模型，特征方程求解法在耦合连接处显式离散求解一维、二维特征方程。并利用求得的耦合连接处水位或流量作为边界条件对一维、二维计算域进行求解，其缺点是特征方程求解结果和一维、二维模型的求解结果之间往往存在差异，从而使耦合连接条件无法得到满足；互赋边界迭代法在一维、二维模型间根据已知解互相提供边界条件，交替计算以实现整体求解，但互相提供的边界条件存在时间滞后性，使耦合连接条件无法得到满足，即使对互赋边界条件过程进行迭代，其是否收敛尚无定论；有学者提出在耦合边界处构造一虚拟的重叠计算水域，以限制时间滞后边界条件引起的误差传播，但仍无法彻底避免耦合连接处一维、二维计算结果不一致的缺陷。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统，以解决现有技术中一维水动力与二维水动力模型在进行耦合时存在缺陷的问题。
[0005]为实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法，包括：
[0006]构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；
[0007]构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；
[0008]根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。
[0009]进一步的，所述一维河网水流数学模型，包括：
[0010]采用圣维南方程组作为河道非恒定流控制方程，包括水流连续方程和水流运动方程：
[0011]水流连续方程：
[0012]水流运动方程：
[0013]其中，x为里程(m)；t为时间(s)；Z为水位(m)；B为过水断面水面宽度(m)；Q为流量(m3/s)；q为侧向单宽流量(m2/s)，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积(m2)；g为重力加速度(m/s2)；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数，n为曼宁糙率系数。
[0014]进一步的，所述二维水动力模型，包括：
[0015]连续性方程为：
[0016]x方向动量方程为：
[0017][0018]y方向动量方程为：
[0019][0020]其中，u、v分别为x、y方向的垂向平均速度；z为水面高程；h为水深；f为科氏力系数f＝2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；γ
i
为紊动黏性系数；ρ
a
和ρ
ω
分别是空气和水密度；f
ω
为风应力系数；ω
x
、ω
y
分别为x、y方向的风速。
[0021]进一步的，所述二维湖泊水动力模型采用非正交交错网格，利用有限体积法对方程进行离散，其中对流项采用迎风格式处理，对连续性方程与动量方程离散得到：
[0022][0023]采用SIMPLE正交算法，获得自由表面η校正方程和速度修正方程，即
[0024]η校正方程：
[0025][0026]速度修正方程：
[0027][0028][0029]其中，a
P
、a
nb
均为系数；d
P
和d
nb
均为离散系数；和η
′
p
是猜想值。
[0030]进一步的，一二维水动力模型耦合方式包括：
[0031]侧向耦合、重叠耦合、边界搭接耦合。
[0032]进一步的，所述侧向耦合的耦合过程包括：
[0033]利用一维水动力学模型模拟洪水在主槽内的演进，求在主槽内各大断面的水位Z和流量Q，并把计算结果按距离内插到各大断面间四边形网格形心处；
[0034]比较主槽内四边形网格形心处的水位、滩唇高程和相邻滩地三角形网格形心高程，利用二维水动力学模型计算主槽与滩地间的水量交换，得到滩槽交换量；
[0035]根据滩槽交换量计算主槽单位宽度进出流量ql，将ql作为下时刻主槽计算的旁侧流量进行滩槽耦合计算。
[0036]进一步的，将一、二维模型区域延长一段重叠段求解，在一维计算水域的边界处和二维计算水域的边界处形成虚拟重叠区域；
[0037]设U＝[Z，Q]为一维计算区内的物理量：水位、流量；V为二维计算区相应的物理量；C为Courant数，所述重叠耦合的耦合过程包括：
[0038]一维计算区虚拟边界的时间滞后条件取为ΔU n+1＝0；
[0039]求解一维隐格式，得到各水力要素在二维真实边界点处的时间精确解，若时间步长不等，则在一维计算时间步长内插值得到物理量，并作为二维计算的边界条件；其中，所述一维隐格式包括虚节点在内；
[0040]虚拟重叠区域的投影，即将二维计算得到的精确解投影到一维虚拟点上，Un-+i1+1＝Vnk+1，i＝1，2，
…
，C；其中，k为二维计算区对应物理量的下标；
[0041]重复上述步骤，直至计算结束。
[0042]进一步的，一维水动力模型与二维水动力模型模拟的水位于流量相等；
[0043]水位连接条件：Z1＝Z2；
[0044]流量连接条件：Q1＝∫U
ε
h
ε
dε；
[0045]其中Z1、Z2分别为一、二维模型在连接断面处的水位；Q1为一维模型在连接断面上的流量，U
ε
为二维模型在连接断面法向上的流速，h为水深，ε为一、二维模型连接断面坐标；
[0046]在一、二维模型连接断面处，根据两种模型模拟的水质组分浓度相等的条件实现耦合；
[0047]浓度连接条件：C1＝C2；
[0048]其中，C1、C2分别为一、二维模型在连接断面处的水质组分浓度；
[0049]所述边界搭接耦合过程包括：
[0050]在水流从一维水动力模型向二维水动力模型流动的条件下，由一维水动力模型直接解出一、二维水动力模型连接断面上的第一物理量，将所述第一物理量作为二维模型的边界条件；
[0051]在水流从二维水动力模型向一维水动力模型流动的条件下，由二维水动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法，其特征在于，包括：构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一维河网水流数学模型，包括：采用圣维南方程组作为河道非恒定流控制方程，包括水流连续方程和水流运动方程：水流连续方程：水流运动方程：其中，x为里程(m)；t为时间(s)；Z为水位(m)；B为过水断面水面宽度(m)；Q为流量(m3/s)；q为侧向单宽流量(m2/s)，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积(m2)；g为重力加速度(m/s2)；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数，n为曼宁糙率系数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维水动力模型，包括：连续性方程为：x方向动量方程为：y方向动量方程为：其中，u、v分别为x、y方向的垂向平均速度；z为水面高程；h为水深；f为科氏力系数f＝2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；γ
i
为紊动黏性系数；ρ
a
和ρ
ω
分别是空气和水密度；f
ω
为风应力系数；ω
x
、ω
y
分别为x、y方向的风速。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二维湖泊水动力模型采用非正交交错网格，利用有限体积法对方程进行离散，其中对流项采用迎风格式处理，对连续性方程与动量方程离散得到：采用SIMPLE正交算法，获得自由表面η校正方程和速度修正方程，即η校正方程：
速度修正方程：速度修正方程：其中，a
P
、a
nb
均为系数；d
P
和d
nb
均为离散系数；和η
′
p
是猜想值。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，一二维水动力模型耦合方式包括：侧向耦合、重叠耦合、边界搭接耦合。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述侧向耦合的耦合过程包括：利用一维水动力学模型模拟洪水在主槽内的演进，求在主槽内各大断面的水位Z和流量Q，并把计算结果按距离内插到各大断面间四边形网格形心处；比较主槽内四边形网格形心处的水位、滩唇高程和相邻滩地三角形网格形心高程，利用二维水动力学模型计算主槽与滩地间的水量交换，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏润亮，李涛，王敏，金锦，朱敏，刘启兴，李斌，俞彦，杨无双，冯兴凯，李冰，吴丹，郝臻，薛阳茹，焦莉华，
申请(专利权)人：黄河水利委员会黄河水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：