基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法技术

本发明专利技术公开的基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法，在计算机中读取计算区域的基础数据并对数据进行处理；采用Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程，采用预估

【技术实现步骤摘要】
基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法


[0001]本专利技术属于数值模拟
，具体涉及基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法。

技术介绍

[0002]溃坝洪水是指堤坝或其他挡水建筑物瞬时溃决，发生水体突泄所形成的洪水。其形成原因一般可分自然和人为两大因素。如超标准洪水、冰凌、地震等导致大坝溃决属于自然因素；设计不周、施工不良、管理不善、战争破坏等导致大坝溃决属于人为因素。近年来，随着全球气候的不断变化，极端降雨等事件发生的频率不断增加，由此引发的超标洪水对大坝的威胁也在相应增加。准确、及时的溃坝洪水计算是对水库和堤防的失事影响做出定量估算，并合理确定水库或堤坝防洪设计标准以及避险措施的有效手段。
[0003]随着计算机技术的发展，使用数值模型手段模拟溃坝洪水过程逐渐进入人们的视野。通过数值模型可以在短时间构建并便捷计算不同初始溃坝条件下的结果，且可更加精细地描述水流在下游演进的物理过程，使得数值模型在溃坝洪水的模拟中得到了更广泛的应用。溃坝洪水计算的主要内容是根据溃坝坝址处的流量和水位过程线,求得下游洪水演进过程中沿程各处的流量、水深、流速、波前和洪峰到达的时间等。但由于溃坝水流的构成十分复杂，通常包含激波，亚临界流，超临界流等水流流态，导致对其进行数值模拟时容易出现数值振荡和不稳定的现象。此外，由于溃坝洪水在下游的演进过程尺度较大，采用二维模型计算耗时较长，难以满足及时评估洪水风险的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法，以实现对溃坝洪水演进过程的准确、高效模拟。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法，具体按照如下步骤实施：
[0006]步骤1、在计算机中读取历史数据，所述历史数据包括河道断面数据以及曼宁系数，溃坝流量过程，计算时长，并根据河道断面间距将计算区域划分为不同大小的网格，然后对河道断面数据进行处理，获取各个网格的水深
‑
过流面积、水深
‑
湿周关系；
[0007]步骤2、采用Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程，得到通量项、底坡源项、摩阻源项和时间步进；
[0008]步骤3、采用预估
‑
校正法对离散后的圣维南方程进行时间积分，计算出步骤1中每个网格上的水力要素，所述水力要素包括平均水深和流速，再根据步骤1中所求水深
‑
过流面积关系获得对应的过流面积；使用Superbee限制器对水深、流速、过流面积进行限制，避免出现异常的梯度，然后采用MUSCL型格式外推构造每个网格左右界面上相应的水深、流速、过流面积，使得求解具有二阶空间精度；
[0009]步骤4、根据步骤3中所求得的每个网格上的平均水深、流速、过流面积以及网格左右界面上相应的水深、流速、过流面积，采用ROE格式的数值通量函数求出各个网格左右界
面上的流量和动量；
[0010]步骤5、对步骤3求得的每个网格上的平均水深、流速、过流面积采用半隐式计算方法进行更新校正，并将其推进到下一个时间步长；
[0011]步骤6、将步骤4和步骤5中计算的流量、动量、平均水深、流速、过流面积根据时间步长进行更新并输出，获得各网格单元在各个时刻的水力要素值。
[0012]本专利技术的特点还在于，
[0013]步骤1中，对河道断面数据进行处理的具体方法为：
[0014]将任意一个河道断面沿河宽方向等分为n个窄条，窄条宽度为dx，其中第i个窄条左边界对应的起点距为x
i
，相应的河底高程为z
i
，右边界对应的起点距为x
i+1
，相应的河底高程为z
i+1
；设任意时刻该断面的水深为h，第i个窄条的面积为S
i
，则第i个网格中水深h与S
i
的计算公式如下：
[0015](1)当h>max(z
i
，z
i+1
)时
[0016][0017](2)当z
i
>h>z
i+1
时
[0018][0019](3)当z
i
<h<z
i+1
时
[0020][0021]在循环完n个窄条后，则可得到该断面水深
‑
过流面积对应关系：
[0022][0023]步骤2中，圣维南方程具体为：
[0024][0025]式中，t为时间；Ω为积分区间，在一维模型中为网格长度；A为过水断面面积；V为过水断面平均流速；g为重力加速度；S
O
为底坡源项；S
f
为摩阻源项；
[0026]其中，S
O
和S
f
具体为
[0027][0028][0029]式中，z为水位；n为曼宁系数；R为水力半径。
[0030]步骤3中，每个网格上平均水深，流速，过流面积的求解过程分别为：
[0031][0032][0033]式中，A是过流面积，V是流速，下标j代表第j个计算网格，上标k代表第k个计算时间步长，k+1/2表示在第k个时刻后的半个时间步长；以及均采用Superbee限制器进行限制后求得；
[0034]Superbee限制器具体为
[0035][0036]以及具体为
[0037][0038][0039][0040]式中，h为水深，分别代表每个网格的水深梯度、流速梯度以及过流面积梯度。
[0041]步骤3中，采用MUSCL型格式外推构造每个网格左右界面上相应的水深、流速、过流面积：
[0042][0043][0044]式中，下标L和R分别代表网格左右界面；过流面积A
L
和A
R
根据步骤1中求得的水深
‑
过流面积关系插值获得。
[0045]步骤4中，采用ROE格式的数值通量函数求出各个网格左右界面上的流量和动量，具体为：
[0046][0047]式中，F
L
和F
R
分别为根据步骤3公式(5)中以及MUSCL外推的网格左右的水力要素所计算出来的通量；和ΔU分别由下列式子给出：
[0048][0049][0050]式中，具体为：
[0051][0052]式中，和具体为：
[0053][0054][0055][0056]其中，g为重力加速度。
[0057]步骤5中对计算结果进行校正采用的公式具体为：
[0058][0059]式中，Δt为计算时间步长；k+1/2表示在第k个时刻后的半个时间步长，k+1表示在第k个时刻后的一个时间步长；j
±
1/2分别表示第j个网格的左右界面。
[0060]本专利技术的有益效果是，本专利技术解决了传统模拟溃坝水流时易出现的数值振荡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、在计算机中读取历史数据，所述历史数据包括河道断面数据以及曼宁系数，溃坝流量过程，计算时长，并根据河道断面间距将计算区域划分为不同大小的网格，然后对河道断面数据进行处理，获取各个网格的水深
‑
过流面积、水深
‑
湿周关系；步骤2、采用Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程，得到通量项、底坡源项、摩阻源项和时间步进；步骤3、采用预估
‑
校正法对离散后的圣维南方程进行时间积分，计算出步骤1中每个网格上的水力要素，所述水力要素包括平均水深和流速，再根据步骤1中所求水深
‑
过流面积关系获得对应的过流面积；使用Superbee限制器对水深、流速、过流面积进行限制，避免出现异常的梯度，然后采用MUSCL型格式外推构造每个网格左右界面上相应的水深、流速、过流面积，使得求解具有二阶空间精度；步骤4、根据步骤3中所求得的每个网格上的平均水深、流速、过流面积以及网格左右界面上相应的水深、流速、过流面积，采用ROE格式的数值通量函数求出各个网格左右界面上的流量和动量；步骤5、对步骤3求得的每个网格上的平均水深、流速、过流面积采用半隐式计算方法进行更新校正，并将其推进到下一个时间步长；步骤6、将步骤4和步骤5中计算的流量、动量、平均水深、流速、过流面积根据时间步长进行更新并输出，获得各网格单元在各个时刻的水力要素值。2.根据权利要求1所述的基于ROE格式的一维溃坝洪水模拟方法，其特征在于，步骤1中，对河道断面数据进行处理的具体方法为：将任意一个河道断面沿河宽方向等分为n个窄条，窄条宽度为dx，其中第i个窄条左边界对应的起点距为x
i
，相应的河底高程为z
i
，右边界对应的起点距为x
i+1
，相应的河底高程为z
i+1
；设任意时刻该断面的水深为h，第i个窄条的面积为S
i
，则第i个网格中水深h与S
i
的计算公式如下：(1)当h>max(z
i
，z
i+1
)时(2)当z
i
>h>z
i+1
时(3)当z
i
<h<z
i+...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东来，侯精明，吕佳豪，王添，张大伟，陈光照，潘鑫鑫，梁鑫，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：