[发明专利]一种基于泥沙水下休止角的河床调整方法

说明书

本发明提供了一种基于泥沙水下休止角的河床调整方法，具有分阶段调整河床的特点，即将某点的河床调整过程依据其类别分成不同的阶段，在每个阶段，采用不同的计算公式进行河床的调整，且一阶段只针对相邻的一至二个节点，各个阶段的河床调整均满足土体质量守恒，即具有守恒性，且在单一阶段内，各个调整具有同时性，守恒性和同时性使得整个河床的调整过程更符合物理实际，综合考虑了相邻节点之间的相互影响以及河床土体质量守恒等因素，使得调整过程具有良好的物理仿真性，调整结果更符合物理规律，也有利于提高河床演变模拟的效率。虽然本发明只给出单节点即其临近点的调整方式，但其易于扩展应用至所有空间网格节点，可以与结构化网格的水力学计算程序较好结合。

技术领域

本发明涉及一种河床床面冲淤变形的求解方法，具体涉及一种河床调整方法。

背景技术

当前的科学研究中，河床床面冲淤变形的求解方法一般为：通过计算近床泥沙悬移质和推移质的质量，并以泥沙质量守恒方程为基础求解。悬移质和推移质的数值模拟，则大多基于经验公式，这些经验公式大多是建立泥沙浓度和底部流速的对应关系。在采用直接数值模拟法(DNS)求解高雷诺数水流时，流速常常具有随机性。将流速代入经验公式后会导致悬移质和推移质的量在空间和时间上都存在很大的变异性。因此，在 DNS中用传统泥沙数值模拟方式计算河床底部变化，河床常常会凹凸不平，且这些凹凸不平的床面形态通常不满足泥沙颗粒本身在水中的稳定要求。泥沙在水中的休止角，作为决定底部河床深坑和沙脊的最大坡度的物理量，理应在数值模拟中被充分考虑。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种基于泥沙水下休止角的河床稳定床面调整方法。

技术方案：本发明提供了一种基于泥沙水下休止角的河床调整方法，包括以下步骤：

(1)计算某节点与相邻节点的坡度，将坡度与泥沙水下休止角的正切值相比较并赋值坡比系数；

(2)根据坡比系数计算分类系数，并利用分类系数对节点进行分类；

(3)计算相邻节点的理想调整高度，将理想调整高度排序；

(4)结合节点类型，分阶段对河床高度进行调整；

(5)重复上述步骤数次后可得到满足泥沙水下休止角要求的河床形态。

进一步，步骤(1)首先计算在结构网格下某i节点与其相邻j节点的坡度k_j：

k_j＝(y_j-y_i)/d_j (1)

式中，y_i是i节点的河床高程，y_j是j节点的河床高程，d_j为j节点与i节点的水平间距， j＝1，2，3，4；

坡比系数由下式得到：

a_j为坡比系数，α为泥沙水下休止角。

进一步，步骤(2)分类系数C＝(cp，cn)采用下式计算：

式中，计算得出的cp，cn实其本质含义分别为坡比系数为正和为负的个数。

进一步，步骤(2)节点的分类包括：S型节点、D型节点和T型节点；其中，

S类节为分类系数中至少一项为0，包括S0、S1、S2、S3、S4，数字表示除0之外的另一分类系数，该类节点的物理特征是相邻节点的不稳定坡度类型仅为正坡或者负坡；