一种一维、二维水动力耦合模型的构建方法及系统

本发明涉及水动力模型耦合领域，特别涉及一种一维、二维水动力耦合模型的构建方法及系统。

背景技术：

1、耦合一维水动力模型和二维水动力模型，构建一维、二维水动力耦合模型能够更好的模拟出水域的地形样貌，但是，在一维水动力模型和二维水动力模型的耦合处，存在未知粒子，为此，如何计算一维水动力模型和二维水动力模型的未知粒子的分布量一直是人们所热议的话题。

2、现有技术中，往往通过利用一维水动力模型计算的流速和二维水动力模型计算得到的水深，计算一维水动力模型和二维水动力模型的未知粒子的分布量，该方法由于使用了零梯度边界条件，不可避免的引入了计算误差，降低了一维水动力模型和二维水动力模型的耦合精度，导致一维、二维水动力耦合模型的模拟效果并不理想，并且，对于水动力耦合模型的模拟效果，被耦合的水动力模型本身特性也至关重要。

3、为此，如何提供一种考虑被耦合的水动力模型本身特性，且在水动力模型耦合过程中不使用多余的零梯度边界条件，进一步提高一维、二维水动力耦合模型模拟效果的一维、二维水动力耦合模型的构建方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种一维、二维水动力耦合模型的构建方法及系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种一维、二维水动力耦合模型的构建方法，包括：

4、步骤(1)：构建基于圣维南方程组的一维水动力模型以及同时满足流量衔接条件和动力衔接条件的二维水动力模型；

5、步骤(2)：获取一维水动力模型流向二维水动力模型的一维已知粒子的分布量和流动速度以及二维水动力模型流向一维水动力模型的二维已知粒子的分布量和流动速度；

6、步骤(3)：根据一维已知粒子的分布量和流动速度以及二维已知粒子的分布量和流动速度确定一维水动力模型最后一排网格的一维单宽流量以及二维水动力模型第一排网格的二维单宽流量的平均值；

7、步骤(4)：根据一维已知粒子的分布量和流动速度以及一维单宽流量，应用格子玻尔兹曼数值法确定一维水动力模型的一维未知粒子的分布量；根据二维已知粒子的分布量和流动速度以及二维单宽流量的平均值，应用格子玻尔兹曼数值法确定二维水动力模型的二维未知粒子的分布量；

8、步骤(5)：根据一维未知粒子的分布量以及二维未知粒子的分布量耦合一维水动力模型和二维水动力模型，构建一维、二维水动力耦合模型。

9、可选的，步骤(1)中，基于圣维南方程组的一维水动力模型包括水流连续方程和水流运动方程，如下：

10、水流连续方程：

11、

12、水流运动方程：

13、

14、其中，x为里程；t为时间；z为水位；b为过水断面水面宽度；q为流量；q为侧向单宽流量，正值表示流入，负值表示流出；a为过水断面面积；g为重力加速度；u为断面平均流速；β为校正系数；r为水力半径；c为谢才系数。

15、可选的，步骤(1)中，同时满足流量衔接条件和动力衔接条件的二维水动力模型包括连续性方程、x方向动量方程、y方向动量方程，如下：

16、流量衔接条件：

17、

18、动力衔接条件：

19、z1＝z2＝…＝zm；

20、其中，qi为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；zi表示汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量；

21、连续性方程：

22、

23、x方向动量方程：

24、

25、y方向动量方程：

26、

27、其中，u、v分别为x、y方向的垂向平均速度；z为水面高程；h为水深；n为曼宁糙率系数；f为科氏力系数f＝ωsinθ，ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；γi为紊动黏性系数；pa和pω分别是空气和水密度；fω为风应力系数；ωx和ωy分别为x、y方向的风速。

28、可选的，步骤(3)中，根据一维已知粒子的分布量和流动速度以及二维已知粒子的分布量和流动速度确定一维水动力模型最后一排网格的一维单宽流量以及二维水动力模型第一排网格的二维单宽流量的平均值，具体为：

29、获取一维水动力模型和二维水动力模型耦合的连续条件：

30、

31、其中，h1d(end)为一维水动力模型最后一排网络的水深；为二维水动力模型第一排网络的水深的平均值；q1d(end)为一维水动力模型最后一排网络的一维单宽流量；为二维水动力模型第一排网格的二维单宽流量的平均值；

32、根据以下公式，按照连续条件，确定一维单宽流量和二维单宽流量的平均值：

33、

34、其中，e1d为一维已知粒子的流动速度；e2d为二维已知粒子的流动速度；为二维已知粒子的分布量。

35、可选的，步骤(4)中，根据一维已知粒子的分布量和流动速度以及一维单宽流量，应用格子玻尔兹曼数值法确定一维水动力模型的一维未知粒子的分布量，具体为：

36、应用格子玻尔兹曼数值法，根据如下式确定一维未知粒子的分布量：

37、

38、其中，为一维已知粒子的分布量；为一维未知粒子的分布量。

39、可选的，步骤(4)中，根据二维已知粒子的分布量和流动速度以及二维单宽流量的平均值，应用格子玻尔兹曼数值法确定二维水动力模型的二维未知粒子的分布量，具体为：

40、应用格子玻尔兹曼数值法，根据如下式确定二维未知粒子的分布量：

41、

42、

43、

44、其中，以及为二维未知粒子的分布量。

45、本发明还提供一种一维、二维水动力耦合模型的构建系统，包括：

46、一维水动力模型构建模块：用于构建基于圣维南方程组的一维水动力模型；

47、二维水动力模型构建模块：用于构建同时满足流量衔接条件和动力衔接条件的二维水动力模型；

48、模型数据获取模块：用于获取一维水动力模型流向二维水动力模型的一维已知粒子的分布量和流动速度以及二维水动力模型流向一维水动力模型的二维已知粒子的分布量和流动速度；

49、单宽流量确定模块：用于根据一维已知粒子的分布量和流动速度以及二维已知粒子的分布量和流动速度确定一维水动力模型最后一排网格的一维单宽流量以及二维水动力模型第一排网格的二维单宽流量的平均值；

50、一维未知粒子分布量确定模块：用于根据一维已知粒子的分布量和流动速度以及一维单宽流量，应用格子玻尔兹曼数值法确定一维水动力模型的一维未知粒子的分布量；

51、二维未知粒子分布量确定模块：用于根据二维已知粒子的分布量和流动速度以及二维单宽流量的平均值，应用格子玻尔兹曼数值法确定二维水动力模型的二维未知粒子的分布量；

52、模型耦合模块：用于根据一维未知粒子的分布量以及二维未知粒子的分布量耦合一维水动力模型和二维水动力模型，构建一维、二维水动力耦合模型。

53、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提出了一种一维、二维水动力耦合模型的构建方法及系统。在考虑了被耦合的一维水动力耦合模型以及二维水动力耦合模型本身特性对一维、二维水动力耦合模型模拟效果的影响下，构建了基于圣维南方程组的一维水动力模型以及同时满足流量衔接条件和动力衔接条件的二维水动力模型，并根据一维水动力模型和二维水动力模型的已知粒子的分布量和流动速度计算一维水动力模型和二维水动力模型的未知粒子的分布量，由于计算过程中并没有使用多余的零梯度边界条件，因此大大减少了计算误差以及计算复杂度。综上，本发明因考虑了被耦合的水动力模型本身特性，且在水动力模型耦合过程中没有使用多余的零梯度边界条件，一定程度上提高了一维、二维水动力耦合模型的模拟效果。