基于局部網格自適應技術的岸灘側蝕數值模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水利河流模擬中的一種基于局部網格自適應技術的岸灘側蝕數值模擬方法，這是一種沖積河流岸灘側蝕數值模擬中的局部網格自適應技術。
【背景技術】
[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。岸灘側蝕所引發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，它同時也是復雜河型、河勢演化研究中的一大關鍵過程和難點。傳統水沙數值模擬技術一般僅考慮河床垂向沖淤過程，無法模擬因岸灘側蝕引發的河道橫向變形過程。在應用數值模型對岸灘側蝕過程進行模擬時，岸灘側蝕的發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格寬度一致，這就使計算網格對邊岸的準確跟蹤變得困難，因此一般的固定網格系統很難準確地處理這種動態的變化過程；采用傳統動網格技術雖能準確地跟蹤邊岸的變化過程，但是需要實時生成網格，特別是在邊界復雜時，大范圍正交網格的實時生成存在較大困難，計算效率低，且大范圍新舊網格之間的頻繁插值也會帶來額外誤差，而這恰是岸灘側蝕數值模擬的關鍵所在。

【發明內容】

[0003]鑒于目前現有技術存在的上述不足，本發明的目的是提供一種基于局部網格自適應技術的岸灘側蝕數值模擬方法，這是一種基于非正交網格系統的局部網格自適應技術來實時準確跟蹤岸灘側蝕后的復雜動態邊界的方法，是構建河道垂向沖淤與河床橫向變形交互作用的水沙動力學數值模擬方法，彌補了傳統固定網格無法準確跟蹤岸灘側蝕后河道動態邊界的不足之處，解決了傳統動網格技術需實時生成大范圍計算網格所導致的計算效率低的難題，為復雜沖積流河床演變的準確模擬提供了一種重要技術手段；也可廣泛應用于沖積河流復雜河床演變的模擬研究中。
[0004]完成上述發明任務的技術方案是，一種基于局部網格自適應技術的岸灘側蝕數值模擬方法，其特征在于，步驟如下:
[0005](I).依據河床地形，生成大范圍非正交計算網格，包括主河道以及岸灘部分。根據已知地形，生成大范圍非正交網格系統，對于某一初始斷面岸坡形態而言設定:坡腳為B點，由網格節點(I。，J0)確定，坡頂為C點，由網格節點(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Al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的網格節點相關系數(坐標轉換系數)以及水沙運動信息，包括水位、水流結構、懸移質含沙量以及推移質輸沙率等基本信息，隨后計算河床垂向沖淤A Z，并根據岸灘側蝕力學模式計算各斷面岸坡坡腳處的橫向沖刷值Aff ；
[0007](3).根據岸坡坡腳橫向沖刷距離來移動坡腳網格。依據三維水沙數值模型計算得至IJ的坡腳處B點橫向沖刷值AW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，相應地，節點(I。，J0)移動至(I，J)，以保持對坡腳位置的跟蹤，同時還保留原網格節點(I。，J0)的平面位置信息(Xe，Yo)，如圖1⑻所示；
[0008](4).根據坡腳沖刷信息判斷岸坡是否失穩，移動坡頂處網格。根據坡腳的沖刷信息，由岸灘失穩模式判斷岸坡是否穩定，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，根據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，同時還保留原網格節點(Ic，Jc+l)的平面位置信息O^yJ，如圖1(c)所示；
[0009](5).重復上述步驟⑵?⑷，根據最新坡腳位置與相鄰網格節點的位置信息確定跟蹤網格。重復上述步驟⑵?⑷，再次經過水流沖刷及河岸崩岸計算后邊岸的位置如圖1(d)所示，根據最新坡腳位置與相鄰兩網格節點的位置信息來確定跟蹤網格:若此時坡腳B”點仍靠近原網格節點(Ic，J0)的平面位置(即dyl彡dy2時)，則坡腳位置B”仍由網格節點(I，J)進行跟蹤，而坡頂位置C”則仍由網格節點(I，J+1)進行跟蹤；若此時坡腳B”點已靠近原網格節點(I。，Jo+1)的平面位置(即dyl>dy2時)，則節點(I，J)返回原網格節點(I。，J0)的平面位置處，此時坡腳位置B”由網格節點(I，J+1)進行跟蹤，而坡頂位置C”由網格節點(I，J+2)進行跟蹤，同時原網格節點(I。，Jo+2)的平面位置信息(X。，y0)保留，如圖1(e)所示，此時節點(I，J)的沖淤情況則由一般水流泥沙模型計算決定，即僅模擬傳統水沙輸移信息及河床的垂向沖淤過程，而節點(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AW ;
[0010](6).重復上述步驟⑵?(5)即可模擬河道的岸灘側蝕過程。
[0011]其中，步驟⑵所述的三維水沙數值模型計算，具體操作如下:
[0012](2)-1.根據生成計算網格的位置信息，計算網格節點相關系數(或坐標轉換系數)，同時根據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方程得出自由水面的分布；
[0016](2)-5.根據新的自由水面重新劃分垂向網格，計算坐標轉換系數并插值變量；
[0017](2) -6.重復⑵-2至⑵-5步，直至水動力計算結果達到預定的收斂程度或迭代步數；
[0018](2) -7.根據水動力計算結果，依據懸沙輸移方程計算懸移質含沙量場，依據推移質輸移方程計算推移質輸沙率；
[0019]⑵-8.根據懸移質含沙量計算結果及推移質輸沙率計算結果，依據河床變形方程計算河床垂向沖淤變化值△ Z ;根據岸灘側蝕力學模式計算坡腳側蝕沖刷距離AW;
[0020](2)-9.計算河岸側蝕崩塌結果，包括崩塌河岸的寬度及崩塌體積等，依據局部網格自適應技術移動側蝕崩塌處的計算網格，以準確跟蹤邊坡的位置(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，同時計算泥沙側向輸入項(源項)。
[0021]本發明的基本思想為:在整個計算域內生成非正交網格系統，在模擬過程中，僅對發生崩岸附近的網格進行移動，使其能夠準確地跟蹤邊岸位置，以反映邊岸地形變化對水沙輸移計算的影響，同時其余網格位置不變；這樣做既能較為準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的網格，彌補了傳統固定網格以及動網格在這方面存在的一些不足。
[0022]由于本發明采用的是非正交網格系統，因此在整個計算過程中只需依據局部網格自適應技術移動邊岸附近網格，便實現了由岸灘側蝕引起邊坡后退過程的準確模擬。其中圖1(f)為網格移動前后斷面垂向網格的剖分示意圖。
【附圖說明】
[0023]圖1(包括a、b、c、d、e、f)為本發明岸灘側蝕過程中網格移動示意圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例1，基于局部網格自適應技術的岸灘側蝕數值模擬方法，參照圖1:
[0025](I).依據河床地形，生成大范圍非正交計算網格，包括主河道以及岸灘部分。根據已知地形，生成大范圍非正交網格系統，對于某一初始斷面岸坡形態而言設定:坡腳為B點，由網格節點(I。，J0)確定，坡頂為C點，由網格節點(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AW。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的網格節點相關系數以及水沙運動信息，包括水位、水流結構、懸移質含沙量及推移質輸沙率等基本信息，隨后計算河床垂向沖淤A Z，并根據岸灘側蝕力學模式計算各斷面岸坡坡腳處的橫向沖刷值AW;
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