糙率变化对圣维南方程组数值解的影响
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摘要
近年来,黄河下游洪水演进中出现了洪峰流量的异常增大现象。目前的研究认为,异常现象的发生可能与水流和泥沙共同作用下较易发生糙率改变有关。从数值计算的角度研究糙率变化对圣维南方程组数值解的影响,不仅有助于解释洪峰增值的异常现象,而且具有一定的理论价值。
论文的研究内容包含以下几个方面：
(1)给出了含糙率的一维和二维明渠非恒定流基本方程(即圣维南方程组)。
(2)利用有限体积法,采用正交的交错网格系统剖分求解域。
(3)结合亚松弛技术和TDMA算法,利用SIMPLE算法求解水深～速度耦合场。
(4)给定初始条件、水位边界条件以及多组糙率值,在清水条件下对洪水的演进过程进行数值模拟。
(5)结合数值模拟的结果,初步探讨了糙率变化以及流量叠加对异常现象的解释。
In recent years, it's always seen the unusual phenomenon of flood's peak discharge increasing while routing at the Lower Yellow River. According to the current study, it may be related to the roughness'slight change due to the interaction between stream and sediments. It will not only help to explain the phenomenon through the analysis of the impact of roughness's slight change on the numerical solution of Saint-Venant equations, but also has theoretical value.
The thesis focuses on the following aspects,
(1) 1D and 2D Saint-Venant equations of unsteady open channel flow are given.
(2) The Finite Volume method and orthogonal staggered grid are used to divide the solution domain.
(3) With sub-relaxation technique and TDMA algorithm, the coupled field of the water depth and velocity are iteratively solved by SIMPLE algorithm.
(4) Under the condition of clear water and after initial and boundary conditions introduced, the flood routing is simulated as to different roughness values.
(5) The numerical simulation results are summarized and analyzed to discuss the unusual phenomenon due to slight change of roughness or discharge integration.
论文的研究内容包含以下几个方面：
(1)给出了含糙率的一维和二维明渠非恒定流基本方程(即圣维南方程组)。
(2)利用有限体积法,采用正交的交错网格系统剖分求解域。
(3)结合亚松弛技术和TDMA算法,利用SIMPLE算法求解水深～速度耦合场。
(4)给定初始条件、水位边界条件以及多组糙率值,在清水条件下对洪水的演进过程进行数值模拟。
(5)结合数值模拟的结果,初步探讨了糙率变化以及流量叠加对异常现象的解释。
In recent years, it's always seen the unusual phenomenon of flood's peak discharge increasing while routing at the Lower Yellow River. According to the current study, it may be related to the roughness'slight change due to the interaction between stream and sediments. It will not only help to explain the phenomenon through the analysis of the impact of roughness's slight change on the numerical solution of Saint-Venant equations, but also has theoretical value.
The thesis focuses on the following aspects,
(1) 1D and 2D Saint-Venant equations of unsteady open channel flow are given.
(2) The Finite Volume method and orthogonal staggered grid are used to divide the solution domain.
(3) With sub-relaxation technique and TDMA algorithm, the coupled field of the water depth and velocity are iteratively solved by SIMPLE algorithm.
(4) Under the condition of clear water and after initial and boundary conditions introduced, the flood routing is simulated as to different roughness values.
(5) The numerical simulation results are summarized and analyzed to discuss the unusual phenomenon due to slight change of roughness or discharge integration.
引文
[1]冯民权,郑邦民,周孝德.河流及水库流场与水质的数值模拟[M].北京：科学出版社,2007
[2]黄河下游洪峰增值现象分析及预报[R].郑州：黄河水利委员会黄河水利科学研究院,2008
[3]李勇,周家胜,孙赞盈,彭红.有关黄河下游流量沿程增大的各种观点评述[J].泥沙研究,2006,8(4)：78-81
[4]张小琴.河道糙率问题研究进展.水力发电[J].2008,34(6)：98-100
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[6]金忠青,韩龙喜,张健.复杂河网的水力计算及参数反问题[J].水动力学研究与进展,1998,13(3)：280-285
[7]韩龙喜,金忠青.平原水网水量计算和参数率定～改进的湄公河模型.水动力学研究与进展
[8]董文军,姜亨余,喻文唤.一维水流方程中曼宁糙率的参数辨识[J].天津大学学报,2001,34(2)：201-204
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