[发明专利]一种二维非结构干滩条件下流量边界的处理方法

说明书

本发明公开了一种二维非结构干滩条件下流量边界的处理方法。针对计算区域内初始无水的干滩状态，选取各入流单元对应的入口边组成控制断面，根据临界流条件迭代计算初始计算时刻入口的水位值，进而获得各入口单元对应的水深值。依据Manning公式中水深与流速的对应关系，采用入口各单元的水深值和入流量计算获得该入口单元对应的入口边处的法向流速，进而得到通过各入口边的法向数值通量。本方法可以准确的确定干滩条件下真实入流的入口单元个数，将入口的流量值合理分配到计算区域的各入口单元内，提高二维非结构干滩条件下流量边界的处理精度，进而提升洪水演进过程整体的计算精度，可有效弥补传统处理方法的不足。

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，特别涉及一种二维非结构干滩条件下流量边界的处理方法。

背景技术

二维洪水演进计算是防洪减灾领域的一项重要业务，能够进行准确的模拟洪水演进过程的水动力模型是该领域的一项重要工具。进入二十一世纪以来，以求解Riemann近似解为基础的Godunov格式由于其强大的激波捕捉和大梯度水面模拟能力，成为洪水演进分析计算领域的主要计算格式。为了适应复杂的计算区域边界，该类模型的求解通常是采用具有良好守恒性能的有限体积法对二维浅水控制方程进行非结构离散。

在工程应用中，二维洪水演进模型常用于模拟蓄滞洪区泄洪或大坝溃坝后下游洪水的演进情况。这种情景下，计算区域在初始状态通常是没有水流的，也就是属于干滩的状态，在蓄滞洪区分洪口位置或大坝溃口位置通常会给定一个流量边界条件，然后通过二维洪水演进模型把洪水演进的过程模拟出来。在干滩条件下，如何让水流准确的进入入口各单元是一个难点问题。现在常用的做法是在入口单元内事先给定一个很小的水深值，根据入口单元对应的边占入口边总长度的权重将入流量数值进行分配，使得每个入口单元都有水进入。这种做法的缺陷有两点，首先入口单元给定初始水深值会破坏真实的入流情景，因为入口处各单元的底高程通常是有很大差异的，在计算的初始状态，不是所有的入口单元一开始都会有水流进入的；另一点缺陷是，在进行入口流量分配的时候，进入到每个单元的流量跟单元自身已有的水深是相关的，同样入口边长度下，对应单元水深越大，进入的流量也会越大。如何更精准的处理二维非结构干滩条件下流量边界，依然是当前领域的一个热点和难点问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维非结构干滩条件下流量边界的处理方法，可以准确的将入口的流量值分配到计算区域的各入口单元内，提高二维非结构干滩条件下流量边界的处理精度，进而提升洪水演进过程整体的计算精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种二维非结构干滩条件下流量边界的处理方法，在计算的初始阶段，将水流入口单元对应的各入口边连接起来组成一维入口控制断面，根据临界流条件计算初始时刻的入流流量值在该断面下对应的水位值，该水位值减去入口单元的底高程即为各入口单元的水深值，根据入口单元的水深值与入口边法线方向流速的对应关系分配各入口单元的入流量；

具体步骤如下：

1)获取计算所需的基础数据，主要包括地形数据、土地利用类型数据以及入流流量过程数据；

2)采用四边形或三角形非结构网格剖分计算区域，剖分完成后，采用平底模型模式对网格高程进行赋值，即采用该区域的地形数据为非结构网格单元的中心点赋值底高程值，在每个计算单元内，地形是平的；根据计算区域的土地利用类型数据为网格单元赋值糙率值；计算的初始水深和流速值均设置为0，满足干滩计算条件；

3)选取计算区域的上边界为流量边界，该边界对应的单元称为入口单元，各入口单元对应的边界边为入口边；选取计算区域的下边界为自由出流边界，该边界对应的单元称为出口单元；除入口单元和出口单元外，计算区域内部的单元称为常规单元；

4)获取t时刻对应的入口处流量值Q_t，根据CFL条件获取计算时间步长dt；