基于ENO型RKDG格式的河道一维浅水方程数值模拟研究

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为了开发拥有自主产权的一维数值模型,发展孪生数字河流的需要以及构建河流系统,一般商业软件不兼容的情况下,本文针对一维浅水对流方程组空间上采用具有有限元法和有限体积法的诸多优点结合在一起的间断有限元离散,时间上采用总变差递减(TVD)的三阶Runge-Kutta时间推进格式离散及本质无振荡(ENO)斜率限制器的运用来抑制强间断附近的伪振荡,采用HLL数值通量来求解单元边界处的间断通量解,微积分散度定理求解断面面积及后续的水量平衡校正,最后通过构造Z-ABR表格来进行查表,然后采用线性插值来获取所需要的其他相应变量,获得离散后的一维浅水对流方程组(圣维南方程组)通过c++编程获得一套自主开发的RKDG模型。将基于ENO型的RKDG模型首先运用到简单河道的经典算例进行计算模拟,经过与解析解的对比分析,结果表明,本文构建的基于ENO型斜率限制器的RKDG模型在捕捉间断解方面具有良好的效果,同时可抑制非物理间的伪振荡,与此同时可较好的模拟理想溃坝波的演进过程。接着对自然河道(三峡-葛洲坝间)在给定合适的初始条件、上下游边界条件和参数率定之后模拟出的黄陵庙站点的水位结果与其实测水位资料进行对比及验证了RKDG模型构建的合理性以及其模拟计算的准确性。且与传统商业软件Mike一维、Mike二维同时模拟计算将计算结果进行相互对比并分析其各自的误差大小,结果表明,ENO型的RKDG可较好的胜任自然河道间的数值模拟,且效果良好。进一步将此ENO型的RKDG模型所计算模拟的数据进行分析研究得出自然河道三峡-葛洲坝间河道的水动力存在高频波动现象,且此现象具有一定的周期波动特征,进而将模拟结果进行高通滤波处理后进一步分析研究表明:在两坝间河道泄流量不同步的影响下具有明显的周期性,尤其下游葛洲坝枢纽的反调节策略受此河道间的高频波动影响。经过更进一步研究探讨给出如下相关建议:当下游葛洲坝泄流滞后时间约为0.6 h时此时河道的非恒定流产生的本征波振幅叠加效果使得通航条件较为适宜,可使河道间的航行效果达到最佳。故此ENO型的RKDG模型可以用于求解简单河道及较复杂的自然河道间的一维浅水方程问题,可为其工程实际问题提供一套防洪减灾预警预报系统,且在数值模拟系统中具有重要的现实意义和实际参考价值。
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