【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及油膜运动轨迹模拟，特别涉及一种水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法及系统。
技术介绍
1、水库型水源地往往具有复杂的水系结构，以南水北调中线水源地丹江口水库为例，水库具有十六条主要入库支流，河相和湖相水系相连，水利工程群调度方案复杂，存在急缓流态交替和大尺度干湿边界等复杂水动力现象。油膜运动以水流为载体，通过建立“油粒子”模型模拟油膜在水体中进行扩展、漂移、蒸发、分散等过程。以往在具有复杂水系的水库型水源地进行油膜运动轨迹模拟时，一般只能选择水流为恒定流状态情景，即水深、流速等水流参数作为已知条，且不随时间变化。然而实际水库水体在入库河流和水利工程群联合调度驱动下，处于非恒定流状态，存在急缓流态交替，水深、流速等水流参数实时发生变化，现有的方法无法准确模拟水库型水源地油膜运动轨迹。
2、为解决现有方法无法准确模拟具有复杂水流条件的水库型水源地油膜运动轨迹的局限性，本专利技术公开了一种耦合高精度水动力模型的水库型水源地油膜运动轨迹模拟方法，以二维浅水方程与godunov型有限体积格式为主要框架建立水库平面二维水动力数学模型，并将其与水库二维“油粒子”模型耦合在一起，将水动力模型计算的水库流速实时传递给“油粒子”模型，“油粒子”模型通过模拟油膜的漂移等过程，实现了在变化水文条件下油膜运动轨迹的实时模拟。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法及系统，以实现在变化水文条件下油膜运动的实时模拟。
2、为实现上述
3、第一方面，本专利技术提供了一种水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，所述模拟方法包括：
4、构建基础数据库；其中，是对研究区域开展桥梁、码头、化工厂等溢油风险源调查，收集研究区域的水文、地形、气象及水利工程调度方案等基础数据，建立基础数据库。
5、构建二维水动力数学模型；
6、对研究区域进行网格划分，得到多个网格单元；
7、基于所述基础数据库并给定二维水动力数学模型的初始条件和边界条件，计算每个网格单元节点的流速值；
8、将每个油粒子作为独立模拟对象进行追踪，基于所述网格单元节点的流速值确定每个油粒子的漂移速度；
9、基于每个油粒子的漂移速度计算研究区域内每个油粒子任意时刻的运动轨迹。
10、可选的，基于构建二维水动力数学模型具体包括以下步骤：
11、构建二维浅水方程组；
12、构建有限体积格式；
13、以所述二维浅水方程组和所述有限体积格式为框架构建二维水动力数据模型。
14、可选的，所述二维浅水方程组的表达式如下：
15、
16、s＝sb+sf+sw+sc
17、
18、其中，h表示水深，u表示x方向的水流流速，v表示y方向的水流流速，g表示重力加速度，u表示守恒量；t表示时间；x、y为笛卡尔坐标系；f、g分别表示x、y方向的数值通量；s表示源项，sb表示地形源项，sf表示摩阻源项，sw表示风应力源项，sc表示地球自转产生的柯氏力项；sx、sy分别表示各类源项在x、y方向的分量。
19、可选的，所述有限体积格式的表达式如下：
20、
21、其中，表示n+1时间层方程守恒量，，表示n时间层方程守恒量，，i表示网格单元编号，j表示边界在某一单元中的编号，在三角形网格中，j＝1,2,3；δt表示时间步长，；di表示网格单元的面积；lij表示网格单元的边长；fij、gij分别表示第i个网格单元中第j个边界x、y方向的通量向量；θ表示相应边界外法向与x正向的夹角，si表示n时间层方程源项。
22、可选的，所述将每个油粒子作为独立模拟对象进行追踪，基于所述网格单元节点的流速值确定每个油粒子的漂移速度具体包括以下步骤：
23、确定坐标变换函数；
24、基于所述坐标变换函数确定差值基函数；
25、基于所述差值基函数确定插值函数；
26、基于所述插值函数确定每个油粒子的漂移速度。
27、可选的，所述每个油粒子的漂移速度的表达式如下：
28、
29、
30、其中，vx0和vy0分别为油粒子在x方向和y方向的漂移速度，vx1、vx2、vx3以及vx4表示网格单元节点a1、a2、a3、a4的在x方向的流速值，vy1和vy2、vy3以及vy4表示网格单元节点a1、a2、a3、a4的在y方向的流速值，表示差值基函数。
31、可选的，基于每个油粒子的漂移速度计算研究区域内每个油粒子任意时刻的运动轨迹具体包括以下步骤：
32、给定油粒子的当前时刻位置坐标x0和y0；
33、计算油粒子的漂移距离；其中漂移过程包括平移过程和随机扩散过程；
34、基于所述油粒子的当前时刻位置坐标和油粒子的漂移距离确定油粒子的运动轨迹。
35、可选的，所述计算油粒子的漂移距离具体包括：
36、计算油粒子的平移速度：vp＝vo+avw，其中，vo为插值得到的油粒子速度，a为风力因子，vw为水面以上10m处风速；
37、计算油粒子的扩散距离：其中，s0为扩散距离；r为利用函数生成的[-1,1]区间内的均匀分布的随机数；d0为水平方向上的扩散系数；δt为时间步长。
38、可选的，所述油粒子的运动轨迹的表达式如下：
39、
40、其中，x0和y0为油粒子当前时刻的位置坐标；x和y为油粒子前一时刻的位置坐标；dt为时间步长；vx0和vy0分别为x和y方向的水流流速；vwx和vwy分别为x和y方向的风速；s0x和s0y分别为油粒子在一个步长时间内x和y方向的扩散距离。
41、第二方面，基于本专利技术中的上述方法，本专利技术另外提供了一种水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟系统，所述模拟系统包括：
42、基础数据库构建模块，用于构建基础数据库；
43、二维水动力数学模型构建模块，用于构建二维水动力数学模型；
44、网格划分模块，用于对研究区域进行网格划分，得到多个网格单元；
45、网格单元节点的流速值计算模块，用于基于所述基础数据库并给定二维水动力数学模型的初始条件和边界条件，计算每个网格单元节点的流速值；
46、油粒子的漂移速度计算模块，用于将每个油粒子作为独立模拟对象进行追踪，基于所述网格单元节点的流速值确定每个油粒子的漂移速度；
47、运动轨迹计算模块，用于基于每个油粒子的漂移速度计算研究区域内每个油粒子任意时刻的运动轨迹。
48、根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
49、本专利技术基于godunov型有限体积格式对研究区域建立平面二维水动力模型，并将其与水库二维“油粒子”模型耦合在一起，将水动力模型计算的水库流速值本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括：
2.根据权利要求1所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，基于构建二维水动力数学模型具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述二维浅水方程组的表达式如下：
4.根据权利要求2所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述有限体积格式的表达式如下：
5.根据权利要求1所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述将每个油粒子作为独立模拟对象进行追踪，基于所述网格单元节点的流速值确定每个油粒子的漂移速度具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述每个油粒子的漂移速度的表达式如下：
7.根据权利要求1所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，基于每个油粒子的漂移速度计算研究区域内每个油粒子任意时刻的运动轨迹具体包括以下步骤：
8.根据权利要求1所述的水库型水源地
9.根据权利要求7所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述油粒子的运动轨迹的表达式如下：
10.一种水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟系统，其特征在于，所述模拟系统包括：
...【技术特征摘要】
1.一种水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括：
2.根据权利要求1所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，基于构建二维水动力数学模型具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述二维浅水方程组的表达式如下：
4.根据权利要求2所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述有限体积格式的表达式如下：
5.根据权利要求1所述的水库型水源地油膜运动轨迹实时模拟方法，其特征在于，所述将每个油粒子作为独立模拟对象进行追踪，基于所述网格单元节点的流速值确定每个油粒子的漂移速度具体包括以下...
【专利技术属性】
技术研发人员：白凤朋，辛小康，李全宏，尹炜，曹俊启，贾海燕，林枭，
申请(专利权)人：长江水资源保护科学研究所，
类型：发明
国别省市：
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