基于局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的岸灘側(cè)蝕數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水利河流模擬中的一種基于局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的岸灘側(cè)蝕數(shù)值模擬方法，這是一種沖積河流岸灘側(cè)蝕數(shù)值模擬中的局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]沖積河流的自然演變過程，不僅有垂向上的河床沖淤變化，在平面上也有顯著的橫向擺動特征。岸灘側(cè)蝕所引發(fā)的河道橫向擺動過程不僅給防洪、航運、取水等工程帶來嚴重影響，它同時也是復(fù)雜河型、河勢演化研究中的一大關(guān)鍵過程和難點。傳統(tǒng)水沙數(shù)值模擬技術(shù)一般僅考慮河床垂向沖淤過程，無法模擬因岸灘側(cè)蝕引發(fā)的河道橫向變形過程。在應(yīng)用數(shù)值模型對岸灘側(cè)蝕過程進行模擬時，岸灘側(cè)蝕的發(fā)生會改變模型的邊界地形，而岸灘崩塌寬度不一定正好與崩塌處的計算網(wǎng)格寬度一致，這就使計算網(wǎng)格對邊岸的準(zhǔn)確跟蹤變得困難，因此一般的固定網(wǎng)格系統(tǒng)很難準(zhǔn)確地處理這種動態(tài)的變化過程；采用傳統(tǒng)動網(wǎng)格技術(shù)雖能準(zhǔn)確地跟蹤邊岸的變化過程，但是需要實時生成網(wǎng)格，特別是在邊界復(fù)雜時，大范圍正交網(wǎng)格的實時生成存在較大困難，計算效率低，且大范圍新舊網(wǎng)格之間的頻繁插值也會帶來額外誤差，而這恰是岸灘側(cè)蝕數(shù)值模擬的關(guān)鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于目前現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的岸灘側(cè)蝕數(shù)值模擬方法，這是一種基于非正交網(wǎng)格系統(tǒng)的局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)來實時準(zhǔn)確跟蹤岸灘側(cè)蝕后的復(fù)雜動態(tài)邊界的方法，是構(gòu)建河道垂向沖淤與河床橫向變形交互作用的水沙動力學(xué)數(shù)值模擬方法，彌補了傳統(tǒng)固定網(wǎng)格無法準(zhǔn)確跟蹤岸灘側(cè)蝕后河道動態(tài)邊界的不足之處，解決了傳統(tǒng)動網(wǎng)格技術(shù)需實時生成大范圍計算網(wǎng)格所導(dǎo)致的計算效率低的難題，為復(fù)雜沖積流河床演變的準(zhǔn)確模擬提供了一種重要技術(shù)手段；也可廣泛應(yīng)用于沖積河流復(fù)雜河床演變的模擬研究中。
[0004]完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是，一種基于局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的岸灘側(cè)蝕數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟如下:
[0005](I).依據(jù)河床地形，生成大范圍非正交計算網(wǎng)格，包括主河道以及岸灘部分。根據(jù)已知地形，生成大范圍非正交網(wǎng)格系統(tǒng)，對于某一初始斷面岸坡形態(tài)而言設(shè)定:坡腳為B點，由網(wǎng)格節(jié)點(I。，J0)確定，坡頂為C點，由網(wǎng)格節(jié)點(I。，Jo+1)確定，如圖1 (a)所示；
[0006](2).計算河床垂向沖淤以及岸坡坡腳處橫向沖刷值A(chǔ)l計算過程中給定上下游水沙邊界條件，采用三維水沙模型計算模擬范圍內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點相關(guān)系數(shù)(坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù))以及水沙運動信息，包括水位、水流結(jié)構(gòu)、懸移質(zhì)含沙量以及推移質(zhì)輸沙率等基本信息，隨后計算河床垂向沖淤A Z，并根據(jù)岸灘側(cè)蝕力學(xué)模式計算各斷面岸坡坡腳處的橫向沖刷值A(chǔ)ff ；
[0007](3).根據(jù)岸坡坡腳橫向沖刷距離來移動坡腳網(wǎng)格。依據(jù)三維水沙數(shù)值模型計算得至IJ的坡腳處B點橫向沖刷值A(chǔ)W來移動坡腳位置，此時坡腳位置由原來B點移到點B’，橫向移動距離為AW，相應(yīng)地，節(jié)點(I。，J0)移動至(I，J)，以保持對坡腳位置的跟蹤，同時還保留原網(wǎng)格節(jié)點(I。，J0)的平面位置信息(Xe，Yo)，如圖1⑻所示；
[0008](4).根據(jù)坡腳沖刷信息判斷岸坡是否失穩(wěn)，移動坡頂處網(wǎng)格。根據(jù)坡腳的沖刷信息，由岸灘失穩(wěn)模式判斷岸坡是否穩(wěn)定，對于非粘性沙岸灘而言，判斷岸坡的坡度是否超過非粘性沙的休止角，若超過則岸坡失穩(wěn)，根據(jù)休止角大小對岸坡地形進行崩岸修正，此時坡頂位置由原來C點移到點C’，節(jié)點(I。，Jo+1)移動至(I，J+1)，以保持對坡頂位置的跟蹤，同時還保留原網(wǎng)格節(jié)點(Ic，Jc+l)的平面位置信息O^yJ，如圖1(c)所示；
[0009](5).重復(fù)上述步驟⑵?⑷，根據(jù)最新坡腳位置與相鄰網(wǎng)格節(jié)點的位置信息確定跟蹤網(wǎng)格。重復(fù)上述步驟⑵?⑷，再次經(jīng)過水流沖刷及河岸崩岸計算后邊岸的位置如圖1(d)所示，根據(jù)最新坡腳位置與相鄰兩網(wǎng)格節(jié)點的位置信息來確定跟蹤網(wǎng)格:若此時坡腳B”點仍靠近原網(wǎng)格節(jié)點(Ic，J0)的平面位置(即dyl彡dy2時)，則坡腳位置B”仍由網(wǎng)格節(jié)點(I，J)進行跟蹤，而坡頂位置C”則仍由網(wǎng)格節(jié)點(I，J+1)進行跟蹤；若此時坡腳B”點已靠近原網(wǎng)格節(jié)點(I。，Jo+1)的平面位置(即dyl>dy2時)，則節(jié)點(I，J)返回原網(wǎng)格節(jié)點(I。，J0)的平面位置處，此時坡腳位置B”由網(wǎng)格節(jié)點(I，J+1)進行跟蹤，而坡頂位置C”由網(wǎng)格節(jié)點(I，J+2)進行跟蹤，同時原網(wǎng)格節(jié)點(I。，Jo+2)的平面位置信息(X。，y0)保留，如圖1(e)所示，此時節(jié)點(I，J)的沖淤情況則由一般水流泥沙模型計算決定，即僅模擬傳統(tǒng)水沙輸移信息及河床的垂向沖淤過程，而節(jié)點(I，J+1)位于岸坡坡腳位置，需計算垂向沖淤厚度AZ以及橫向沖刷值A(chǔ)W ;
[0010](6).重復(fù)上述步驟⑵?(5)即可模擬河道的岸灘側(cè)蝕過程。
[0011]其中，步驟⑵所述的三維水沙數(shù)值模型計算，具體操作如下:
[0012](2)-1.根據(jù)生成計算網(wǎng)格的位置信息，計算網(wǎng)格節(jié)點相關(guān)系數(shù)(或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù))，同時根據(jù)邊界條件給模型中的各變量(包括水位、流速場、壓力場、含沙量場等)賦初值；
[0013]⑵-2.根據(jù)舊的流速場和壓力場求解水流動量方程得到新的流速場；
[0014]⑵-3.根據(jù)流速場求解壓力修正值，然后修正壓力場和流速場；
[0015]⑵-4.垂向積分流速并求解沿水深平均的連續(xù)方程得出自由水面的分布；
[0016](2)-5.根據(jù)新的自由水面重新劃分垂向網(wǎng)格，計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)并插值變量；
[0017](2) -6.重復(fù)⑵-2至⑵-5步，直至水動力計算結(jié)果達到預(yù)定的收斂程度或迭代步數(shù)；
[0018](2) -7.根據(jù)水動力計算結(jié)果，依據(jù)懸沙輸移方程計算懸移質(zhì)含沙量場，依據(jù)推移質(zhì)輸移方程計算推移質(zhì)輸沙率；
[0019]⑵-8.根據(jù)懸移質(zhì)含沙量計算結(jié)果及推移質(zhì)輸沙率計算結(jié)果，依據(jù)河床變形方程計算河床垂向沖淤變化值△ Z ;根據(jù)岸灘側(cè)蝕力學(xué)模式計算坡腳側(cè)蝕沖刷距離AW;
[0020](2)-9.計算河岸側(cè)蝕崩塌結(jié)果，包括崩塌河岸的寬度及崩塌體積等，依據(jù)局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)移動側(cè)蝕崩塌處的計算網(wǎng)格，以準(zhǔn)確跟蹤邊坡的位置(包括坡腳、坡頂)，并修改岸坡附近河床地形高程及泥沙級配信息，同時計算泥沙側(cè)向輸入項(源項)。
[0021]本發(fā)明的基本思想為:在整個計算域內(nèi)生成非正交網(wǎng)格系統(tǒng)，在模擬過程中，僅對發(fā)生崩岸附近的網(wǎng)格進行移動，使其能夠準(zhǔn)確地跟蹤邊岸位置，以反映邊岸地形變化對水沙輸移計算的影響，同時其余網(wǎng)格位置不變；這樣做既能較為準(zhǔn)確地跟蹤崩岸后的岸坡位置，又無需重新生成整個計算域內(nèi)的網(wǎng)格，彌補了傳統(tǒng)固定網(wǎng)格以及動網(wǎng)格在這方面存在的一些不足。
[0022]由于本發(fā)明采用的是非正交網(wǎng)格系統(tǒng)，因此在整個計算過程中只需依據(jù)局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)移動邊岸附近網(wǎng)格，便實現(xiàn)了由岸灘側(cè)蝕引起邊坡后退過程的準(zhǔn)確模擬。其中圖1(f)為網(wǎng)格移動前后斷面垂向網(wǎng)格的剖分示意圖。
【附圖說明】
[0023]圖1(包括a、b、c、d、e、f)為本發(fā)明岸灘側(cè)蝕過程中網(wǎng)格移動示意圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例1，基于局部網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的岸灘側(cè)蝕數(shù)值模擬方法，參照圖1:
[0025](I).依據(jù)河床地形，生成大范圍非正交計算網(wǎng)格，包括主河道以及岸灘部分。根據(jù)已知地形，生成大范圍非正交網(wǎng)格系統(tǒng)，對于某一初始斷面岸坡形態(tài)而言設(shè)定:坡腳為B點，由網(wǎng)格節(jié)點(I。，J0)確定，坡頂為C點，由網(wǎng)格節(jié)點(I。，Jo+1)確定，如圖1 (a)所示；；
[0026](2).計算河床垂向沖游以及岸坡坡腳處橫向沖刷值A(chǔ)W。計算過程中給定上下游水沙邊界條件，采用三維水沙模型計算模擬范圍內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點相關(guān)系數(shù)以及水沙運動信息，包括水位、水流結(jié)構(gòu)、懸移質(zhì)含沙量及推移質(zhì)輸沙率等基本信息，隨后計算河床垂向沖淤A Z，并根據(jù)岸灘側(cè)蝕力學(xué)模式計算各斷面岸坡坡腳處的橫向沖刷值A(chǔ)W;
[0027