基于局部网格自适应技术的岸滩侧蚀数值模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水利河流模拟中的一种基于局部网格自适应技术的岸滩侧蚀数值模拟方法，这是一种冲积河流岸滩侧蚀数值模拟中的局部网格自适应技术。
【背景技术】
[0002]冲积河流的自然演变过程，不仅有垂向上的河床冲淤变化，在平面上也有显著的横向摆动特征。岸滩侧蚀所引发的河道横向摆动过程不仅给防洪、航运、取水等工程带来严重影响，它同时也是复杂河型、河势演化研究中的一大关键过程和难点。传统水沙数值模拟技术一般仅考虑河床垂向冲淤过程，无法模拟因岸滩侧蚀引发的河道横向变形过程。在应用数值模型对岸滩侧蚀过程进行模拟时，岸滩侧蚀的发生会改变模型的边界地形，而岸滩崩塌宽度不一定正好与崩塌处的计算网格宽度一致，这就使计算网格对边岸的准确跟踪变得困难，因此一般的固定网格系统很难准确地处理这种动态的变化过程；采用传统动网格技术虽能准确地跟踪边岸的变化过程，但是需要实时生成网格，特别是在边界复杂时，大范围正交网格的实时生成存在较大困难，计算效率低，且大范围新旧网格之间的频繁插值也会带来额外误差，而这恰是岸滩侧蚀数值模拟的关键所在。
【发明内容】
[0003]鉴于目前现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于局部网格自适应技术的岸滩侧蚀数值模拟方法，这是一种基于非正交网格系统的局部网格自适应技术来实时准确跟踪岸滩侧蚀后的复杂动态边界的方法，是构建河道垂向冲淤与河床横向变形交互作用的水沙动力学数值模拟方法，弥补了传统固定网格无法准确跟踪岸滩侧蚀后河道动态边界的不足之处，解决了传统动网格技术需实时生成大范围计算网格所导致的计算效率低的难题，为复杂冲积流河床演变的准确模拟提供了一种重要技术手段；也可广泛应用于冲积河流复杂河床演变的模拟研究中。
[0004]完成上述发明任务的技术方案是，一种基于局部网格自适应技术的岸滩侧蚀数值模拟方法，其特征在于，步骤如下:
[0005](I).依据河床地形，生成大范围非正交计算网格，包括主河道以及岸滩部分。根据已知地形，生成大范围非正交网格系统，对于某一初始断面岸坡形态而言设定:坡脚为B点，由网格节点(I。，J0)确定，坡顶为C点，由网格节点(I。，Jo+1)确定，如图1 (a)所示；
[0006](2).计算河床垂向冲淤以及岸坡坡脚处横向冲刷值Al计算过程中给定上下游水沙边界条件，采用三维水沙模型计算模拟范围内的网格节点相关系数(坐标转换系数)以及水沙运动信息，包括水位、水流结构、悬移质含沙量以及推移质输沙率等基本信息，随后计算河床垂向冲淤A Z，并根据岸滩侧蚀力学模式计算各断面岸坡坡脚处的横向冲刷值Aff ；
[0007](3).根据岸坡坡脚横向冲刷距离来移动坡脚网格。依据三维水沙数值模型计算得至IJ的坡脚处B点横向冲刷值AW来移动坡脚位置，此时坡脚位置由原来B点移到点B’，横向移动距离为AW，相应地，节点(I。，J0)移动至(I，J)，以保持对坡脚位置的跟踪，同时还保留原网格节点(I。，J0)的平面位置信息(Xe，Yo)，如图1⑻所示；
[0008](4).根据坡脚冲刷信息判断岸坡是否失稳，移动坡顶处网格。根据坡脚的冲刷信息，由岸滩失稳模式判断岸坡是否稳定，对于非粘性沙岸滩而言，判断岸坡的坡度是否超过非粘性沙的休止角，若超过则岸坡失稳，根据休止角大小对岸坡地形进行崩岸修正，此时坡顶位置由原来C点移到点C’，节点(I。，Jo+1)移动至(I，J+1)，以保持对坡顶位置的跟踪，同时还保留原网格节点(Ic，Jc+l)的平面位置信息O^yJ，如图1(c)所示；
[0009](5).重复上述步骤⑵?⑷，根据最新坡脚位置与相邻网格节点的位置信息确定跟踪网格。重复上述步骤⑵?⑷，再次经过水流冲刷及河岸崩岸计算后边岸的位置如图1(d)所示，根据最新坡脚位置与相邻两网格节点的位置信息来确定跟踪网格:若此时坡脚B”点仍靠近原网格节点(Ic，J0)的平面位置(即dyl彡dy2时)，则坡脚位置B”仍由网格节点(I，J)进行跟踪，而坡顶位置C”则仍由网格节点(I，J+1)进行跟踪；若此时坡脚B”点已靠近原网格节点(I。，Jo+1)的平面位置(即dyl>dy2时)，则节点(I，J)返回原网格节点(I。，J0)的平面位置处，此时坡脚位置B”由网格节点(I，J+1)进行跟踪，而坡顶位置C”由网格节点(I，J+2)进行跟踪，同时原网格节点(I。，Jo+2)的平面位置信息(X。，y0)保留，如图1(e)所示，此时节点(I，J)的冲淤情况则由一般水流泥沙模型计算决定，即仅模拟传统水沙输移信息及河床的垂向冲淤过程，而节点(I，J+1)位于岸坡坡脚位置，需计算垂向冲淤厚度AZ以及横向冲刷值AW ;
[0010](6).重复上述步骤⑵?(5)即可模拟河道的岸滩侧蚀过程。
[0011]其中，步骤⑵所述的三维水沙数值模型计算，具体操作如下:
[0012](2)-1.根据生成计算网格的位置信息，计算网格节点相关系数(或坐标转换系数)，同时根据边界条件给模型中的各变量(包括水位、流速场、压力场、含沙量场等)赋初值；
[0013]⑵-2.根据旧的流速场和压力场求解水流动量方程得到新的流速场；
[0014]⑵-3.根据流速场求解压力修正值，然后修正压力场和流速场；
[0015]⑵-4.垂向积分流速并求解沿水深平均的连续方程得出自由水面的分布；
[0016](2)-5.根据新的自由水面重新划分垂向网格，计算坐标转换系数并插值变量；
[0017](2) -6.重复⑵-2至⑵-5步，直至水动力计算结果达到预定的收敛程度或迭代步数；
[0018](2) -7.根据水动力计算结果，依据悬沙输移方程计算悬移质含沙量场，依据推移质输移方程计算推移质输沙率；
[0019]⑵-8.根据悬移质含沙量计算结果及推移质输沙率计算结果，依据河床变形方程计算河床垂向冲淤变化值△ Z ;根据岸滩侧蚀力学模式计算坡脚侧蚀冲刷距离AW;
[0020](2)-9.计算河岸侧蚀崩塌结果，包括崩塌河岸的宽度及崩塌体积等，依据局部网格自适应技术移动侧蚀崩塌处的计算网格，以准确跟踪边坡的位置(包括坡脚、坡顶)，并修改岸坡附近河床地形高程及泥沙级配信息，同时计算泥沙侧向输入项(源项)。
[0021]本发明的基本思想为:在整个计算域内生成非正交网格系统，在模拟过程中，仅对发生崩岸附近的网格进行移动，使其能够准确地跟踪边岸位置，以反映边岸地形变化对水沙输移计算的影响，同时其余网格位置不变；这样做既能较为准确地跟踪崩岸后的岸坡位置，又无需重新生成整个计算域内的网格，弥补了传统固定网格以及动网格在这方面存在的一些不足。
[0022]由于本发明采用的是非正交网格系统，因此在整个计算过程中只需依据局部网格自适应技术移动边岸附近网格，便实现了由岸滩侧蚀引起边坡后退过程的准确模拟。其中图1(f)为网格移动前后断面垂向网格的剖分示意图。
【附图说明】
[0023]图1(包括a、b、c、d、e、f)为本发明岸滩侧蚀过程中网格移动示意图。
【具体实施方式】
[0024]实施例1，基于局部网格自适应技术的岸滩侧蚀数值模拟方法，参照图1:
[0025](I).依据河床地形，生成大范围非正交计算网格，包括主河道以及岸滩部分。根据已知地形，生成大范围非正交网格系统，对于某一初始断面岸坡形态而言设定:坡脚为B点，由网格节点(I。，J0)确定，坡顶为C点，由网格节点(I。，Jo+1)确定，如图1 (a)所示；；
[0026](2).计算河床垂向冲游以及岸坡坡脚处横向冲刷值AW。计算过程中给定上下游水沙边界条件，采用三维水沙模型计算模拟范围内的网格节点相关系数以及水沙运动信息，包括水位、水流结构、悬移质含沙量及推移质输沙率等基本信息，随后计算河床垂向冲淤A Z，并根据岸滩侧蚀力学模式计算各断面岸坡坡脚处的横向冲刷值AW;
[0027