[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

说明书

本发明属于水力学及河流动力学技术领域，公开了一种基于数值‑解析联合求解的河道三维流场数据处理方法，求解过程中需首先对河道进行纵向网格剖分，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计算得到河道横断面三维流场结构；整合的计算结果和横断面三维解析模型结果，得到三维流场计算结果。本发明可节省大量的计算时间；横断面三维计算结果可根据驱动因子单独输出，方便从业人员分析结果；模型采用分块化设计，数值模型和解析模型相对独立，方便使用者二次开发。

技术领域

本发明属于水力学及河流动力学技术领域，具体涉及一种基于数值-解析联合求解的河道三维流场数据处理方法。

背景技术

目前，河道水流三维流场结构数值计算一直是水力学与河流动力学研究中的重要工具之一。在河道洪水演进过程中，河道三维水动力数值模型可为研究人员提供上下游河道洪水水位、断面洪水流速分布、洪水自上而下的传播和演进过程。在河道流场结构研究中，可通过三维水动力数值模型更加方便的认识不同河道位置上的流速分布、压强分布、应力分布等基本物理量。因此河道三维水动力数值模型在研究中的应用非常广泛。

目前市面上的三维洪水模拟计算方法或者软件有很多。针对河道这种大尺度的水动力模型，在计算方法上主要可分为两类，一是基于结构网格的有限差分法，例如荷兰代尔夫特理工大学的delft模型、美国普林斯顿大学的POM模型等。二是基于非结构网格的有限体积法，例如丹麦DHI公式的Mike模型，美国麻省理工大学的FVCOM模型。当然这些模型在后期发展过程中事实上都包含了所有方法，例如Mike中也含有结构网格计算模块，只是并非用户常用选项。在数值计算方法上，这些模型也在不断改进，最经典的就是基于预估-修正模式的隐式计算方法，以及基于物理量梯度高阶逼近的龙格-库塔方法。不过三维模型计算的缺点也是显著的，最大的缺点就是计算速度慢。根据笔者的数值模拟经验，采用一台8核CPU计算机模拟三峡水库从向家坝至三峡大坝区域的水动力特征，如果模型时间为1年、网格数为20万、平均分辨率约200m，在Mike三维模型中的计算时间可能超过1个月。为提高计算速度，研究者们一方面可从硬件上进行提升，例如开发显卡计算或是采用服务器并行计算，但这对硬件要求相对较高。另一方面，采用不同维度模型耦合计算，例如洪水演进过程中，狭长河道区域采用一维模型，城市区域采用二维或三维模型，但这类模型对研究中的数值模拟经验要求极高，而且模型也会变得不稳定。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的河道水动力计算方法中，三维数值模型构建过程复杂，计算速度慢；一维和二维模型计算结果难以反映全河道的流场结构。

解决以上问题及缺陷的难度为：河道流场结构一般较为复杂，采用一维和二维数值模型难以反映河道三维流场结构；三维模型需要求解的方程复杂，求解过程中计算量大，因此降低了计算速度。

解决以上问题及缺陷的意义为：河道水动力计算中，三维数值模型的计算结果能很好的反映实际情况，但从计算速度上又难以达到实时预报的速度。实际情况中，我们并不需要了解河道每个区域的三维流场，而往往仅关注一些关键区域的流场结构，因此开发一套全域一维数值求解，局部三维解析求解的模型，可达到既获得三维流场，又提高计算速度的目的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于数值-解析联合求解的河道三维流场数据处理方法。

本发明是这样实现的，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，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：

采用数值离散方法得到一维纵断面数值模型；采用横断面解析模型计算各河道断面的三维流场特征；整合纵向一维数值模型和横断面三维解析模型，得到全河道三维流场。

进一步，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以下步骤：