[发明专利]基于数值-解析联合求解的河道三维流场数据处理方法

权利要求书

1.一种基于数值-解析联合求解的河道三维流场数据处理方法，其特征在于，所述基于数值-解析联合求解的河道三维流场数据处理方法包括：

对河道进行网格剖分，在河道纵断面上，采用数值模拟计算河流上下游各断面的横断面面积、水位、流量及水位梯度；

基于用户指定条件在待求断面和时刻上，以计算得到的水位和流量为边界条件，根据横断面三维解析模型计算得到河道横断面三维流场结构；

整合所述河流上下游各断面的横断面面积、水位、流量及水位梯度计算结果和得到的所述河道横断面三维流场结构，得到三维流场计算结果；

所述采用数值模拟计算河流上下游各断面的横断面面积、水位、流量及水位梯度包括：

(1)给定边界条件和初始条件，所述初始条件为初始时刻t＝0时各单元上的流量Q和河道横断面面积A；边界条件为河道上游边界流量和下游边界水位；

(2)进行循环计算：在每一计算过程中n＜N，首先计算每个单元i的时间步长Δt_i，并取全局时间步长为各单元中的最小值Δt＝min{Δt_i}；然后在每个单元i上，采用经典的Runge-Kutta方法计算得到当前计算时刻n+1上的水流横截面面积Aⁿ⁺¹和流量Qⁿ⁺¹；同时计算过程中对Aⁿ⁺¹和Qⁿ⁺¹进行斜率限制；

利用下式进行当前计算时刻上的水流横截面面积Aⁿ⁺¹和流量Qⁿ⁺¹的计算：

其中，t表示时间坐标，x表示沿河道纵向坐标，Q表示流量，A表示河道横断面面积；g表示重力加速度，Z＝h+h_a表示水位，h表示水深，h_a表示河床高程，n′表示河道底部糙率，R表示河道水力半径；

(3)计算水位和流量：根据计算得到的横断面面积Aⁿ⁺¹，与横断面地形数据一起采用牛顿逼近法计算断面水位ζⁿ⁺¹，与流量计算结果Qⁿ⁺¹一起输出计算数据；重复步骤(1)至步骤(2)，计算下一个时刻的水位和流量。

2.如权利要求1所述基于数值-解析联合求解的河道三维流场数据处理方法，其特征在于，所述根据横断面三维解析模型计算得到河道横断面三维流场结构包括：

1)对横断面模型的坐标系统和纵一维模型的坐标系统进行转换统一；

2)确定横断面模型控制方程以及模型边界条件；

所述横断面模型控制方程如下：

其中，(u,v,w,t)分别表示沿河槽方向，侧向以及垂向上的流速分量和时间，η表示水位，f表示科氏力参数，A_z表示垂向涡动粘滞系数，R表示弯曲河道半径；

所述模型边界条件如下：

在河槽水体表面即z＝0，水体自由波动时，运动学边界条件如下：

w＝0，z＝0；

在河槽底部，无滑移边界条件如下：

u＝v＝w＝0，z＝-H；

模型在河槽上游径流驱动，边界条件如下：

3)通过对横断面模型进行解析离散，计算得到河道横断面三维流场结构；

所述对横断面模型进行解析离散包括：

首先，采用无量纲分析，将方程进行无量纲化；其次，基于摄动分析方法，提取各动力因子的控制项；最后通过计算相应的偏微分方程，获得横断面模型解析结果；具体包括以下步骤：

3.1)进行纵向流场结构计算：基于纵向流场结构控制方程和边界条件，计算得到河道纵向流场结构解析结果；

3.2)进行科氏力驱动的侧向流场结构计算：基于科氏力对纵向水流的偏转作用驱动的侧向水流控制方程和边界条件，确定科氏力驱动下的河道侧向流场结构；

3.3)弯曲河道驱动的侧向流场结构计算：基于弯曲河道驱动的侧向水流v_R控制方程和弯曲河道驱动的侧向水流边界条件，计算弯曲河道驱动下的侧向流场结构；

3.4)垂向流场结构计算：根据步骤3.1)至步骤3.3)得到的侧向流场和连续方程求解，根据各个动力因子驱动的侧向流场，分离出不同动力因子驱动的垂向流场；得到河道横断面三维流场结构。