一种坝体漫顶溃决水力参数的预测方法、装置和设备

本发明属于坝体漫顶溃决水力参数预测，具体涉及一种坝体漫顶溃决水力参数的预测方法、装置和设备。

背景技术：

1、在坝体溃决中，坝体漫顶溃决是最常见的溃决方式。在实际研究坝体漫顶溃决问题时，由于坝体原型受到天气、地理位置等实际条件的限制太多，获取的原型数据较少。而水槽试验无论是大尺度水槽试验还是小尺度水槽试验都受到模型和实际条件的限制，也难以完全得到符合坝体的漫顶溃决原型的水力参数。

2、因此，目前亟需一种有效的方法能够提高对坝体漫顶溃决中的水力参数进行预测。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种坝体漫顶溃决水力参数的预测方法、装置和设备，用以解决现有技术难以对坝体的漫顶溃决原型的水力参数进行预测的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面提供一种坝体漫顶溃决水力参数的预测方法，包括：

4、基于有限差分法对河道进行网格划分，并根据划分后的计算网格点建立一维浅水方程，其中，所述一维浅水方程包括守恒向量、通量向量和源项向量，所述守恒向量的变量包括水深h和单宽流量q；

5、获取所述通量向量和所述源项向量的各基础参数，并将各基础参数输入到所述一维浅水方程中分别对所述通项向量和所述源项向量进行求解；

6、基于cfl柯朗数控制所述一维浅水方程的时间步长，并采用显式maccormark预测-校正方案的差分格式对所述一维浅水方程进行数值离散求解，得到下一时刻的守恒向量，从而实现对水力参数水深h和单宽流量q的预测；

7、其中，在采用显式maccormark预测-校正方案的差分格式对所述一维浅水方程进行数值离散求解时，需在激波附近引入tvd耗散项以对下一时刻的守恒向量进行计算，且在每次时间步计算中需对所述一维浅水方程的源项向量进行离散计算。

8、在一种可能的设计中，基于有限差分法对河道进行网格划分，包括：

9、设河道的一维非静水水流速度为x轴方向，并采用有限差分法将x轴划分为若干个空间网格δx，其中，每一空间网格δx的两端为计算网格点。

10、在一种可能的设计中，根据划分后的计算网格点建立一维浅水方程，如下：

11、

12、其中，u、f和s分别表示守恒向量、通量向量和源项向量，t表示时间步长，x表示空间网格；

13、其中，守恒向量

14、通量向量

15、源项向量

16、其中，b表示渠道宽度，即沿渠道方向变化的函数，g表示重力加速度，s0表示底坡源项，z表示底床高程，gh2/2表示矩形断面情况下静水压力项，-qb′/b和-q2b′/(b·h)分别表示矩形河道宽度变化对水深h和单宽流量q的影响，b′表示渠道宽度在渠道长度方向上的变化率；

17、其中，sf表示摩阻坡降，通过曼宁公式计算，如下：

18、

19、其中，m表示曼宁粗糙系数，r表示水力半径，当矩形断面时r≈h。

20、在一种可能的设计中，在根据划分后的计算网格点建立一维浅水方程之前，所述方法还包括：

21、设定一维浅水方程的基本假设条件，包括：

22、5)参与运算的水流是不可压缩流体且密度恒定；

23、6)水流为缓变流，水压力在垂线上满足静水压力分布规律；

24、7)壁面摩擦阻力符合曼宁公式；

25、8)底坡坡度与一维浅水方程的计算适配。

26、在一种可能的设计中，基于cfl柯朗数控制所述一维浅水方程的时间步长，包括：

27、基于cfl柯朗数对所述一维浅水方程的时间步长进行限定如下：

28、

29、

30、其中，u表示深度平均横截面速度，c表示静水中自由表面重力波的传播速度。

31、在一种可能的设计中，采用显式maccormark预测-校正方案的差分格式对所述一维浅水方程进行数值离散求解，得到下一时刻的守恒向量，包括：

32、分别基于显式maccormark方案中的预测步和校正步对所述一维浅水方程进行数值离散求解，如下：

33、预测步：

34、校正步：

35、其中，p和c分别表示预测步和校正步，i表示单元节点，n和n+1分别表示第n个时间步和第n+1个时间步；

36、根据预测步和校正步的计算结果，得到下一时刻的守恒向量，如下：

37、

38、其中，预测步中空间导数采用向前差分的格式，校正步中空间导数采用向后差分的格式。

39、在一种可能的设计中，在激波附近引入tvd耗散项，如下：

40、

41、其中，ri+1/2和ri-1/2分别表示tvd项的耗散矩阵，φi+1/2和φi-1/2分别表示tvd项的散项矩阵；

42、根据tvd耗散项计算下一时刻的守恒向量，如下：

43、

44、

45、

46、其中，表示第i个单元节点在第n+1时间步的水深，表示第i个单元节点预测步的水深，示第i个单元节点校正步的水深，k为引入参数，示第i个单元节点在第n+1时间步的单宽流量，表示第i个单元节点预测步的单宽流量，表示第i个单元节点校正步的单宽流量，λ表示特征值。

47、在一种可能的设计中，在每次时间步计算中需对所述一维浅水方程的源项向量进行离散计算，包括：

48、在地形源项和摩阻坡降源项的离散计算中，预测步中采用向前差分的格式，校正步中采用向后差分的格式进行离散计算，如下：

49、预测步源项离散格式：

50、

51、校正步源项离散格式：

52、

53、其中，n表示时间索引，i表示x方向的空间索引，δx为x方向空间步长，和分别为单宽流量、水深和水力半径在n时间下节点i与节点i+1的均值；

54、在河宽变化引起的离散计算中，预测步中采用向前差分的格式，校正步中采用向后差分的格式进行离散计算，如下：

55、预测步源项离散格式：

56、

57、

58、校正步源项离散格式：

59、

60、

61、第二方面提供一种坝体漫顶溃决水力参数的预测装置，包括：

62、方程建立模块，用于基于有限差分法对河道进行网格划分，并根据划分后的计算网格点建立一维浅水方程，其中，所述一维浅水方程包括守恒向量、通量向量和源项向量，所述守恒向量的变量包括水深h和单宽流量q；

63、参数获取模块，用于获取所述通量向量和所述源项向量的各基础参数，并将各基础参数输入到所述一维浅水方程中分别对所述通项向量和所述源项向量进行求解；

64、参数预测模块，用于基于cfl柯朗数控制所述一维浅水方程的时间步长，并采用显式maccormark预测-校正方案的差分格式对所述一维浅水方程进行数值离散求解，得到下一时刻的守恒向量，从而实现对水力参数水深h和单宽流量q的预测；

65、其中，在采用显式maccormark预测-校正方案的差分格式对所述一维浅水方程进行数值离散求解时，需在激波附近引入tvd耗散项以对下一时刻的守恒向量进行计算，且在每次时间步计算中需对所述一维浅水方程的源项向量进行离散计算。

66、第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括依次相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的坝体漫顶溃决水力参数的预测方法。

67、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的水流演进分析方法。

68、第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的水流演进分析方法。

69、本发明相较于现有技术的有益效果为：

70、本发明通过建立坝体漫顶溃决数学模型，基于cfl柯朗数控制一维浅水方程的时间步长，采用显式maccormark预测-校正方案的差分格式对所述一维浅水方程进行数值离散求解，得到下一时刻的守恒向量，从而实现对水力参数水深h和单宽流量q的预测；其中，在采用显式maccormark预测-校正方案的差分格式对一维浅水方程进行数值离散求解时，需在激波附近引入tvd耗散项以对下一时刻的守恒向量进行计算，且在每次时间步计算中需对所述一维浅水方程的源项向量进行离散计算，从而能够对坝体漫顶溃决水力参数进行预测，克服了坝体受天气和地理位置等实际条件限制太多，获取的原型数据较少的问题。