(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111429722.5 (22)申请日 2021.11.29 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114091163 A (43)申请公布日 2022.02.25 (73)专利权人 中国水利水电科 学研究院 地址 100048 北京市海淀区车公庄西路20 号 (72)发明人 张大伟　孙东亚　杜晓鹤　侯精明　 马利平　李东来　 (74)专利代理 机构 北京国林贸知识产权代理有 限公司 1 1001 专利代理师 李瑾　李连生 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 CN 106599457 A,2017.04.26 CN 110147646 A,2019.08.20 CN 109885931 A,2019.0 6.14 Renyi Xu等.A large time step Godun ov scheme for fre e-surface shal low water equations. 《Chinese science bul letin》 .2014, 张大伟.堤坝溃决水流数 学模型及其应用研 究. 《中国博士学位 论文全文数据库 (工程科技 Ⅱ辑)》 .2009,(第9期), 张大伟等.精细化 二维水动力模型在防洪评 价中的应用—以滹沱河部分河段为例. 《水利水 电技》 .2018,第49卷(第8 期), 审查员 刘晓丹 (54)发明名称 一种基于有限体积法的河道构筑物过流数 值模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于有限体积法的河道 构筑物过流数值模拟方法。 首先获取河道的平面 几何数据、 河道断面数据和构筑物几何尺寸， 河 道采用一维有限体积单元离散， 水力要素值存储 在单元中心， 构筑物所在位置为单元界面。 根据 构筑物过流公式计算每一时间步长内通过构筑 物界面的水量， 然后采用源项处理的方法在与该 界面相邻的上下游两个单元中分别扣除和增加 这部分水量， 为保证计算的连续性， 采用无反射 边界条件对构筑物界面处的水力要素值进行重 构， 进而计算构筑物界面处的数值通量。 本发明 可以准确反映各构筑物的过流特点， 同时保证一 维河道水流模 型整体计算的精度和稳定性， 为一 维有限体积法数值框架下的构筑物过流处理提供了一种新的解决途径。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114091163 B 2022.05.10 CN 114091163 B 1.一种基于有限体积法的河道构筑物过流数值模拟方法， 其特征在于： 将河道构筑物 所在的位置作为河道计算单元的界面， 根据构筑物过流 公式计算每一时间步长内通过该界 面的水量， 采用源项处理的方法在与该界面相 邻的上下游两个单元中分别扣除和增加这部 分水量； 具体步骤如下： 1)获取河道和构筑物基础数据： 获取河道平面几何形状和控制断面形状数据， 相邻断 面间距不大于1km； 获取河道构筑物的空间位置信息以及几何尺 寸信息， 在构筑物上下游各 布设两根控制断面， 且断面间距不大于10 0m； 2)对河道进行有限体积离散： 采用一维有限体积单元离散河道， 断面位置为单元中心 位置， 两断面中点位置为单元界面位置， 如该位置无构筑物， 该界面称为常规界面， 如该位 置有构筑物， 则该界面称为构筑物界面， 河道水力要素值存 储在单元中心； 3)一维河道模型初始化： 计算条件初始化， 给河道各单元赋值初始水力要素值， 即初始 水位和初始流 量值， 设置构筑物初始运行状态， 获取河道上 下游边界条件的初始值； 4)获取t时刻外边界条件， 根据CFL条件， 获取计算时间步长dt； 5)求解各常规界面的数值通量、 构筑物的过流量和构筑物界面的数值通量： 采用考虑 源项的一 维守恒型浅水方程组描述河道水流运动， 采用基于HLL近似Riemann解的有限体积 法计算t时刻各单元常规界面处的数值通量； 采用构筑物上下游单元水力要素值计算t时刻 通过该构筑物的流量值， 该流量值在上下游单元中作为连续方程的源项处理； 构筑物界面 处的水力要素值采用无反射边界条件进行重构， 进而计算通过该构筑物界面处的数值通 量； 6)河道求解， 获得t+dt时刻 各单元水力要素值： 通过t时刻 各单元界面处的数值通量值 和构筑物过流的源项值更新t+dt时刻各单元中心的水力要 素值， 河道两端的边界条件同步 更新到t+dt时刻； 7)令t＝t+dt， 重复步骤4)～6)， 直到计算结束。 2.根据权利要求1所述的一种基于有限体积法的河道构筑物过流数值模拟方法， 其特 征在于： 所述河道构筑物包括河道内存在的挡水 堰、 拦河闸、 桥涵。 3.根据权利要求1所述的一种基于有限体积法的河道构筑物过流数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤4)dt的选取受到 CFL条件限制， 具体如式(1)所示： 式中： Ncfl为CFL数， u为断面平均流速， c为波速， Δx为有限体积单元空间步长， dt为时 间步长。 4.根据权利要求1所述的一种基于有限体积法的河道构筑物过流数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤5)采用控制方程组为考虑构筑物过流源项的一维守恒型浅水方程组， 具体如 式(2)所示： 其中， x为空间变量， t为时间变量， D、 U、 F、 S为方程组中各变量的向量表述， 具体如下：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114091163 B 2式中： B为水面宽度， Z为水位， Q为断面流量， A为过水断面面积， f1和f2分别代表向量F (U)的两个分量， g为重力加速度， J为沿程阻力损失， 其表达式为J＝(n2Q|Q|)/(A2R4/3)， R为 水力半径， n 为Manning糙率系数， ql为河道单位长度内的源项值。 5.根据权利要求1所述的一种基于有限体积法的河道构筑物过流数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤5)根据构筑物过流特点， 采用构筑物上下游单元水力要 素值计算t时刻通过该 构筑物的过流 量， 当河道构筑物为挡水 堰时， 其流量值计算公式如式(3)所示： 式中， hup＝Zup‑Zweir； hdown＝Zdown‑Zweir； qw为通过构筑物的流量； Zup， Zdown分别为构筑物 上下游的计算单 元水位； Zweir为堰顶高程， l 为堰宽。 6.根据权利要求5所述的一种基于有限体积法的河道构筑物过流数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤5)中采用无反射边界条件对构筑物界面处的水力要 素值进行重构， 具体如下： 当分别计算构筑物上游单元和下游单元通过此界面处的数值通量时， 界面处的水力要 素值 分别重构为： Z*＝Zup， Q*＝0         (4) Z*＝Zdown， Q*＝0       (5) 式中， Z*,Q*分别为单 元界面处重构后的水位和流 量值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114091163 B 3