一种天然河道三维网络生成方法

1.本发明涉及天然河道计算流体力学前处理技术领域，具体涉及一种对宽浅不规则的天然河道三维网络生成方法。


背景技术：

2.航道整治、河道治理、水电开发等工程建设中常常需要开展天然河道三维水流数值模拟，河道三维网格剖分是数值模拟中最基础和最重要的工作，然而由于天然河道床面凹凸不平、宽浅不一、岸线弯曲，河道整体实体形状极不规则，使用软件自动划分三维网格十分困难，甚至不可能，因此极大限制了天然河道三维水流数模拟的应用。
3.cn201110372235.x公开了一种用于河道水文数值模拟的复杂河道网格化方法，首先将带有支流出入汇、江心洲等各种复杂河道区域自由分割为简单区域集合，根据河道数值模拟需要设置区域控制曲线网格间距，生成二维网格，归并简单区域网格得到复杂河道剖分后的初始网格。这样对于河道岸线特定区域，可根据需求灵活增加区域网点密度实现该区域内网格加密划分。另外，cn201810929678.6基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，包括(1)获取基础数据，(2)目标河段二维结构网格初步剖分和(3)对初步剖分结果进行横向加密这三个步骤。该方法通过将河道边界线、深泓线、滩槽分界线及水边线等特征地形界线纳入河道区域的二维结构网格剖分过程，这能够使所剖分的网格能够较好地适应河道边界变化。
4.但上述方法均只能实现河道二维网格剖分，无法用于河道三维水流数模拟计算的应用。目前天然河道三维水流数值模拟网格处理方法有：（1）平面正交网线变换结合垂向无量纲变换，该方法需对控制方程进行坐标变换，形式十分复杂，对复杂边界条件的天然河道适应性差；（2）结构化矩性网格，该方法网格结点无法准确布置在天然河道复杂的边界上，为增加计算结果的准确性，需加密网格，故网格单元数量十分庞大，计算成本较高；（3）平面非结构网格结合垂向sigam坐标变换，该方法在一定程度上能适应复杂的边界条件，目前应用最广，但变换后控制方程形式极为复杂，计算结果需加以转换，计算难度增大，还可能引入新的误差，某些情况下容易发散，在地形变化复杂处误较大。
5.

技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够更好地实现河道的立体空间剖分的天然河道三维网络生成方法，使其能够更好地直接实现天然河道三维水流数值模拟，无需对水流控制方法进行坐标变换，提高天然河道三维水流数值模拟的准确性和稳定性。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种天然河道三维网络生成方法，其特征在于，将天然河道整体模型分解成在水平方向上连续且互不重叠的柱状的子域，然后将各子域规则化后采用网格化软件对各子域
进行网格剖分，再合并剖分后的各子域并构成天然河道三维网格组合体。
8.本发明基于“离散”的思想，将天然河道整体分解成在水平方向上连续且互不重叠的柱状的子域，这样方便以最少的误差代价将各子域规则化，然后再对规则化后的子域可以很方便地采用软件进行自动网格剖分，最终再合并各子域构成天然河道三维网格组合体。可方便快捷地实现了复杂天然河道的三维网络剖分，具有效率高，生成网格质量好，表征天然河道三维复杂边界特性精确度高的优点。
9.进一步地，所述将各子域规则化是指将各子域下底面的河床曲面转化为平面。
10.这样，转化为规则体方便后续网格剖分。
11.进一步地，采用的网格化软件为gambit软件。
12.gambit软件是一种可以帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（cfd）模型的现有软件，能够直接实现对规则立体区域的网格剖分，功能强大，计算快捷。
13.进一步地，本发明具体包括以下的步骤：a获取需要计算三维水流数值模拟区域的河道的四条边界线（包括两条边岸线和两条边岸线对应端点之间的连线），构建一个四条边界线所围成的水平面，给定每条边界线的节点数，采用能够沿水平面拼接延伸的多边形，以相邻两个边界节点为多边形的一个边，对四条边界线之间的区域进行二维网格剖分，使其剖分为若干个多边形，导入河床高程，插值得到每个多边形单元中各个节点（即多边形角所在位置）对应河床位置的地形高程，进而得到由若干多边形单元拼接构成的河床底面模型；b以河床底面模型中各多边形单元为下底面，对多边形单元各节点赋予一定的相同的顶高程，形成上顶面，并得到一个柱状的三维立体的子域，逐个将各子域的结点坐标和高程编制成数据文件，每个子域均按照先下底面，后上顶面的方式，上、下面的节点按逆序编排；c将各子域的结点数据文件导入gambit软件，使用gambit编程语言编制journal文件，逐个自动生成线、面和三维的多面体，对各多面体的每条边指定剖分节点数，对多面体自动进行网格剖分,待全部子域网格生成后，使用face connect命令对共面进行合并，最终生成天然河道三维网格组合体。
14.这样，本方法能够方便快捷地实现对天然河道的三维网格剖分，生成天然河道三维网格组合体，以满足天然河道三维水流数值模拟的需求，提高了后续三维水流数值模拟的精确性、可靠性和稳定性，同时方法利用了已有的简单模型三维剖分软件实现了对复杂空间的三维剖分，方法自身具有步骤简单，可操作性强，自动化程度高等优点。
15.进一步地，a步骤中所述多边形为三角形或者四边形，c步骤中的多面体为五面体或六面体。
16.这样采用三角形或者四边形，多边形节点可方便布置在边界上，对平面复杂边界适应性好，建模更加简单，且方便实现沿水平面的拼接延伸，方便实现二维网格剖分。
17.进一步地，a步骤中，获取需要计算三维数值区域的天然河道的四条边界线，是根据现有河道地形图获取，保证其数据真实性。
18.进一步地，a步骤中，进行二维网格剖分时，多边形的边长范围从数厘米到数米范围内取值。具体地说在不影响计算机处理效率的基础上可取尽量小的范围，取值越小越有利于提高后续河道三维水流数值模拟计算精度。
19.进一步地，a步骤中，在二维网格剖分时，对河道内重点关心区域位置的多边形边长范围取值更小，使其多边形分布密度更大。实现平面网格加密效果。
20.这样，可以提高重点关心区域的河道三维数值模拟计算精度，而不关心区域的多边形边长可取值较大，总体减少三维单元数量，以提高计算效率。
21.进一步地，所述河道内重点关心区域为河道内水利设施建设或河道整治涉及位置区域。
22.这样，可以提高工程相关区域的河道三维数值模拟计算精度，使其利于河道工程建设。
23.进一步更好的选择是，c步骤中，在垂直方向上边线的节点布置采用非平均分布，在后续计算关联高度位置上分布更密，非关联高度位置上分布更疏。
24.这样实现了垂向网格加密，相比于平均分布，能够更好地提高后续对应的应用情况计算的精度。例如在后续涉及河床底部泥沙冲刷情况模拟计算需求下，可以采用上端疏，下端密；涉及河床水情对行船影响模拟计算需求下，可以采用上端密，下端疏；涉及河床水情对其内鱼类影响模拟计算需求下，可以采用上下两端疏，中间密。这样针对后续不同应用的具体需求，可以灵活调节垂向网格加密情况。极大地提高了后续应用计算的可靠性。而且使得本方法在水平面上和竖直高度方向上，都可以根据需要进行网格加密调节。极大地提高了后续应用的适应范围，并提高了后续模拟计算应用的精度和可靠性。
25.进一步地，b步骤中根据河道最高水位的高度对多边形单元各节点的顶高程赋值。
26.这样，确保任何水位情况下的河道三维数值模拟计算，都在本方法划分的三维网格高度范围内，保证了本方法获得的天然河道三维网格组合体能够用于任何情况下的河道三维数值模拟计算。
27.进一步地，c步骤中，具体包括以下步骤：c1在gambit软件中输入子域结点坐标及高程汇编数据文件；c2定义当前子域的6个或8个结点编号为d1-d6或d1-d8；c3当前子域中两两结点生成6条或8条边b1-b6或b1-b8；c4使得当前子域中所有6条或8条边生成五面体或六面体；c5对当前子域每条边指定网格节点数（节点数量根据计算精度而定，通常可为数个或十数个节点，节点布置可均分，也可非均分）；c6自动对当前子域进行网格剖分；c7判断是否完成所有子域；否则选择相邻下一子域并循环执行步骤c2-c7；是则执行步骤c8；c8选择所有面，使用face connect命令，合并共面；c9完成对应天然河道三维网格剖分。
28.这样，利于gambit软件自动执行。
29.综上所述，本发明能够更好地实现河道的立体空间剖分，使其能够更好地直接完成河道三维水流数值模拟，无需对水流控制方程进行坐标变化，提高天然河道三维水流数值模拟的准确性和稳定性。
附图说明
30.图1为本发明中对需要计算三维数值区域的河道的四条边界线之间的区域进行二维网格剖分的示意图。
31.图2为单个五面体子域的示意图。
32.图3为单个六面体子域的示意图。
33.图4为步骤c的流程示意图。
34.图5为最终剖分生成的天然河道三维网格组合体的示意图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
36.具体实施方式：参见图1-5，一种天然河道三维网络生成方法，其特点在于，将天然河道整体模型分解成在水平方向上连续且互不重叠的柱状的子域，然后将各子域规则化后采用网格化软件对各子域进行网格剖分，再合并剖分后的各子域并构成天然河道三维网格组合体。
37.这样本发明基于“离散”的思想，将天然河道整体分解成在水平方向上连续且互不重叠的柱状的子域，这样方便以最少的误差代价将各子域规则化，然后再对规则化后的子域可以很方便地采用软件进行自动网格剖分，最终再合并各子域构成天然河道三维网格组合体。故方便快捷地实现了复杂天然河道的三维网络剖分，具有效率高，生成网格质量好，表征天然河道三维复杂边界特性精确度高的优点。
38.其中，所述将各子域规则化是指将各子域下底面的河床曲面转化为平面。
39.这样，转化为规则体方便后续网格剖分。
40.其中，采用的网格化软件为gambit软件。
41.gambit软件是一种可以帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（cfd）模型的现有软件，能够直接实现对规则立体区域的网格剖分，功能强大，计算快捷。
42.本发明具体包括以下的步骤：a获取需要计算三维数值区域的河道的四条边界线（包括两条边岸线和两条边岸线对应端点之间的连线），构建一个四条边界线所围成的水平面，给定每条边界线的节点数，采用能够沿水平面拼接延伸的多边形，以相邻两个边界节点为多边形的一个边，对四条边界线之间的区域进行二维网格剖分，参见图1，使其剖分为若干个多边形，导入河床高程，插值得到每个多边形单元中各个节点（即多边形角所在位置）对应河床位置的地形高程，进而得到由若干多边形单元拼接构成的河床底面模型；b以河床底面模型中各多边形单元为下底面，对多边形单元各节点赋予一定的相同的顶高程，形成上顶面，并得到一个柱状的三维立体的子域，逐个将各子域的结点坐标和高程编制成数据文件，每个子域均按照先下底面，后上顶面的方式，上、下面的节点按逆序编排；c将各子域的结点数据文件导入gambit软件，使用gambit编程语言编制journal文件，逐个自动生成线、面和三维的多面体，对各多面体的每条边指定剖分节点数，对多面体自动进行网格剖分,待全部子域网格生成后，使用face connect命令对共面进行合并，最终生成天然河道三维网格组合体。
43.这样，本方法能够方便快捷地实现对天然河道的三维网格剖分，生成天然河道三维网格组合体，以满足天然河道三维水流数值模拟和计算的需求，提高了后续三维水流模拟计算的精确性、可靠性和稳定性。同时方法利用了已有的简单模型三维剖分软件实现了对复杂空间的三维剖分，方法自身具有步骤简单，可操作性强，自动化程度高等优点。
44.其中，a步骤中所述多边形为三角形或者四边形，c步骤中的多面体为五面体（如图2）或六面体（如图3）。
45.这样采用三角形或者四边形，多边形节点可方便布置在边界上，对复杂边界适应性好，同时建模更加简单，且方便实现沿水平面的拼接延伸，方便实现二维网格剖分。
46.其中，a步骤中，获取需要计算三维数值区域的河道的四条边界线，是根据现有河道地图获取。保证其数据真实性。
47.其中，a步骤中，进行二维网格剖分时，多边形的边长范围从数厘米到数米范围内取值。具体地说在不影响计算机处理效率的基础上可取尽量小的范围，取值越小越有利于提高后续河道三维数值模拟计算精度。
48.其中，a步骤中，在二维网格剖分时，对河道内重点关心区域位置的多边形边长范围取值更小，使其多边形分布密度更大，实现网格加密。
49.这样，可以提高重点关心区域的河道三维数值模拟计算精度。而不关心区域的多边形可取值较大，总体减少网格单元总数，以提高运算效率。
50.其中，所述河道内重点关心区域为河道内水利设施建设或河道整治涉及位置区域。
51.这样，可以提高工程相关区域的河道三维数值模拟计算精度，使其利于河道工程建设。
52.c步骤中，在垂直方向上边线的节点布置采用非平均分布，在后续计算关联高度位置上分布更密，非关联高度位置上分布更疏。
53.这样实现了垂向网格加密，相比于平均分布，能够更好地提高后续对应的应用情况计算的精度。例如在后续涉及河床底部泥沙冲刷情况模拟计算需求下，可以采用上端疏，下端密；涉及河床水情对行船影响模拟计算需求下，可以采用上端密，下端疏；涉及河床水情对其内鱼类影响模拟计算需求下，可以采用上下两端疏，中间密。这样针对后续不同应用的具体需求，可以灵活调节垂向网格加密情况。极大地提高了后续应用计算的可靠性。而且使得本方法在水平面上和竖直高度方向上，都可以根据需要进行网格加密调节。极大地提高了后续应用的适应范围，并提高了后续模拟计算应用的精度和可靠性。
54.其中，b步骤中根据河道最高水位的高度对多边形单元各节点的顶高程赋值。
55.这样，确保任何水位情况下的河道三维数值模拟计算，都在本方法划分的三维网格高度范围内，保证了本方法获得的天然河道三维网格组合体能够用于任何情况下的河道三维数值模拟计算。
56.参见图4-5，c步骤中，具体包括以下步骤：c1在gambit软件中输入子域结点坐标及高程汇编数据文件；c2定义当前子域的6个或8个结点编号为d1-d6或d1-d8；c3当前子域中两两结点生成6条或8条边b1-b6或b1-b8；c4使得当前子域中所有6条或8条边生成五面体或六面体；
c5对当前子域每条边指定网格节点数（节点数量根据计算精度而定，通常可为数个或十数个节点，节点布置可均分，也可非均分）；c6自动对当前子域进行网格剖分；c7判断是否完成所有子域；否则选择相邻下一子域并循环执行步骤c2-c7；是则执行步骤c8；c8选择所有面，使用face connect命令，合并共面；c9完成对应天然河道三维网格剖分，获得天然河道三维网格组合体，如图5。
57.这样，利于gambit软件自动执行。