[发明专利]一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法

权利要求书

1.一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，其特征在于，包括：

构建管道功能性病害的三维瞬态水力模型；

根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力；

结合所述起动剪切应力、推移质移动距离、过流能力以及实验率定的过流特性以及紊动流场结构参数来构建一二维耦合连接模型；

将暴雨雨量输入所述一二维耦合连接模型，所述一二维耦合连接模型输出地表淹没状况。

2.如权利要求1所述的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，其特征在于，根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力包括：

求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项，引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式，采用时均运动方程、脉动运动方程以及质量或动量矩守恒方程，对比判定管道水流剪切应力是否大于起动剪切应力，进而分析计算推移质移动距离和过流能力。

3.如权利要求2所述的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，其特征在于，所述求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项包括：

依据流体力学中水体参考单元的动量守恒原理，构建管道中水流的Reynolds时均方程；

结合水力学约束条件和Reynolds时均方程，求解得到紊动能产生项和扩散项；

利用管道淤积质的临界起动条件为沿水流方向的作用力与阻力相等的条件约束，得到管壁冲刷边界条件。

4.如权利要求2所述的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，其特征在于，所述引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式包括：

管道水流剪切应力和阻力分别可表示为：

其中，ρ_w为管道中水流的密度，c_t为摩阻系数，管道水流边界外的自由流速用曲线v_f＝v_maxsin(ωt)拟合，v_max为自由流速的最大值，ω为自由流速动态变化的角速度，F_f为管道作用于淤积质颗粒上的阻力，G为淤积质颗粒受到的重力，为淤积质颗粒的摩擦角，a为管道与标准水平面之间的夹角。

5.如权利要求1所述的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，其特征在于，所述计算重力流和压力流作用下节点的溢流、回流瞬间值包括：

构建考虑旁侧入流和局部水头损失的一维明满流控制方程；

在Navier-Stokes方程基础上得到的二维浅水方程；

联立所述一维明满流控制方程以及二维浅水方程，获取节点的溢流、回流瞬时值。

6.如权利要求5所述的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，其特征在于，所述构建考虑旁侧入流和局部水头损失的一维明满流控制方程包括：

其中，z表示水位，A为过水断面面积，Q为截面的出口流量，q_L表示旁侧入流，g为重力加速度，t和x分别表示一维时间和空间坐标，ɑ表示波速，S_f为摩阻比降，h_L为单元长度上的局部水头损失,地表汇流的水量平衡动态微分方程可表示为：

其中，d为蓄水池(水库)水深，i^*表示抵消蒸发强度和下渗强度后的降雨强度，w表示研究水域宽度，d_p为研究水域洼蓄深度，S为坡度，n为地表曼宁系数。

7.如权利要求5所述的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，其特征在于，所述在Navier-Stokes方程基础上得到的二维浅水方程包括：

其中，h为水深，t为时间，x、y和z为坐标系，u和v分别为x和y方向的流速分量，g为重力加速度，分别为u、v、v·v、u·v、u·u的垂向平均流速，ρ为流体密度，b为水底高程，v_t为t时刻的水流流速，U、E、G为定义的特殊矩阵，S_ax和S_ay分别为x和y方向的底坡项分量，S_fx和S_fy分别为x和y方向的摩阻项分量，τ_zx和τ_zy均为侧向应力。