專利名稱：一種含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法，特別是關(guān)于一種求解調(diào)水或灌溉渠道水動(dòng)力條件的含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法。
背景技術(shù)：
在河流水利工程中，借助調(diào)水渠道或者灌溉渠道能夠人為地將水從水資源豐富的區(qū)域調(diào)往水資源貧乏的區(qū)域，從而有效緩解局部地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的情況，新中國成立以來的超大型工程——南水北調(diào)就是一個(gè)典型的應(yīng)用案例。由于調(diào)水渠道和灌溉渠道空間跨度很大，因此在調(diào)水過程中常常需要在渠道中設(shè)置閘門或電站等多種類型的結(jié)構(gòu)物。求解含有多種類型結(jié)構(gòu)物的渠道的水動(dòng)力條件則是調(diào)水渠道和灌溉渠道實(shí)現(xiàn)宏觀調(diào)度和流量控制的一個(gè)必要條件。當(dāng)前，對(duì)于平原渠道水動(dòng)力條件的分析計(jì)算大多采用Saint-Venant雙曲方程組建模,通過Preissmann隱式差分法離散成帶狀矩陣，并利用 Newton-Raphson迭代法進(jìn)行求解。但是這種方法只適于求解單一渠道的流量，對(duì)于渠道中存在如閘門或電站等結(jié)構(gòu)物的情況，則需要將渠道在結(jié)構(gòu)物處分隔成兩個(gè)渠段，按順序逐級(jí)求解，即在求解完第一級(jí)渠段得到其下邊界條件后，將其作為第二級(jí)渠段的上邊界條件再進(jìn)行第二級(jí)渠段的計(jì)算。又或者采用另一種方法，將渠道的結(jié)構(gòu)物處理成局部損失，然后整體渠道一起求解。這兩種方法的求解過程耗時(shí)都比較長，效率較低，且當(dāng)渠道中的結(jié)構(gòu)物發(fā)生改變時(shí)，需要一定范圍地修改相應(yīng)的計(jì)算程序代碼，程序的通用性和可移植性差。雖然目前已有一種并行化求解方法可以解決上述問題，參見《一種含梯級(jí)水電站河流水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法》(申請(qǐng)?zhí)?01210172062. I)，但是這種方法只適用于求解含有流量只跟上游水位有關(guān)的結(jié)構(gòu)物的多級(jí)河道的水動(dòng)力條件。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法，基于此方法，無需大范圍修改原單一渠道水動(dòng)力條件求解程序，就能夠快速求解含多種結(jié)構(gòu)物的調(diào)水渠道或者灌溉渠道的水動(dòng)力條件。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法，它包括以下步驟I)給定渠道中每一結(jié)構(gòu)物處流量-水位關(guān)系式Qi =下標(biāo)i表征結(jié)構(gòu)物序號(hào)，I彡1，采用Saint-Venant雙曲方程組為整條渠道建立數(shù)學(xué)模型方程組；2)采用Preissmann隱式差分格式離散步驟I)獲得的渠道數(shù)學(xué)模型方程組，并通過Newton-Raphson迭代法獲得對(duì)應(yīng)的線性離散方程組O2^uAQi +Q2^l2Mi + a2j-u^Qj+i + α2./-ι,4^/+ι +R(Ff) = ()，ayiAQj + a2 jaAAj + a2J3AQj+1 + a2 ja^Aj+s + MFjv ) = 0,上式中，%—ij=沒Fj / ，a2,-ti = 8F] / SAj，a2j i3 = 8F} / dQ]+i，a2j—L4 = dF} / <3A+1 , = < / dQt，％ = dF^ i dA} ,a2j 3 = dFf / clQj+l ,o2j4 = dF^ / ，if 和 if 分別表示連續(xù)和動(dòng)量方程，
權(quán)利要求
1.一種含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法，它包括以下步驟 1)給定渠道中每一結(jié)構(gòu)物處流量-水位關(guān)系式Qi= g' i (ZGi,ZHi)，下標(biāo)i表征結(jié)構(gòu)物序號(hào)，i ^ 1，采用Saint-Venant雙曲方程組為整條渠道建立數(shù)學(xué)模型方程組； 2)采用Preissmann隱式差分格式離散步驟I)獲得的渠道數(shù)學(xué)模型方程組，并通過Newton-Raphson迭代法獲得對(duì)應(yīng)的線性離散方程組
2.如權(quán)利要求I所述的一種含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步驟10)通過下式校正每一結(jié)構(gòu)物上游邊界節(jié)點(diǎn)流量Qei
3.—種如權(quán)利要求I所述的含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法，它包括以下步驟 1)給定渠道中每一結(jié)構(gòu)物處上側(cè)水位Ze=Wi(t)，下標(biāo)i表征結(jié)構(gòu)物序號(hào)，i彡1，采用Saint-Venant雙曲方程組為整條渠道建立數(shù)學(xué)模型方程組； 2)采用Preissmann隱式差分格式離散步驟I)獲得的渠道數(shù)學(xué)模型方程組，并通過Newton-Raphson迭代法獲得對(duì)應(yīng)的線性離散方程組 aIj-Il^Qj +α2/-1.2*^/ a2j-l,3^Qj+l + a2j-l,4^-J+l) —O ’aIjAQj +a2jjH- +au-'AQ.m +a2j,A4^+R(Fi^=Q，上式中，tVu = dK / dQ1 , 2,-1 2 = dFj° / 9Α, , %-,.S = 0K / dQ3, I，%-,Λ = dFf / dA,-n，= 1K / 叫, =K / M，％3 = ClF^ / C)QJ+1，％4 = dF；v I aA+I，<和 if 分別表示連續(xù)和動(dòng)量方程，風(fēng)<)表示^余量,風(fēng)表示余量,下標(biāo)j是斷面編號(hào)，Λ表示兩個(gè)連續(xù)Newton-Raphson迭代步間的增量； 3)為渠道中每一結(jié)構(gòu)物設(shè)置上游邊界節(jié)點(diǎn)Gi和下游邊界節(jié)點(diǎn)Hi；4)給每一結(jié)構(gòu)物上游邊界節(jié)點(diǎn)的流量Qei賦予初始值O3 = C ； 5)將當(dāng)前每一級(jí)結(jié)構(gòu)物上游邊界節(jié)點(diǎn)的流量Qei作為其上游渠段的下邊界條件，將結(jié)構(gòu)物兩側(cè)流量相等Qei = Qlli作為其下游渠段的上邊界條件，代入步驟3)獲得的線性離散方程組的系數(shù)矩陣，對(duì)渠道中所有結(jié)構(gòu)物的上下游邊界水位進(jìn)行同步求解，求解出每一級(jí)結(jié)構(gòu)物的與上游邊界節(jié)點(diǎn)流量Qei對(duì)應(yīng)的上下游邊界節(jié)點(diǎn)水位Zei ； 6)根據(jù)當(dāng)前計(jì)算所得的上游邊界節(jié)點(diǎn)水位Zei和當(dāng)前已知的上游邊界節(jié)點(diǎn)水位Wi(t)計(jì)算每一結(jié)構(gòu)物的水位偏差A(yù)Zi Δ Zi=Zci-Wi ⑴； 7)檢查每一結(jié)構(gòu)物的水位偏差是否滿足AZi= O : 如果所有結(jié)構(gòu)物的水位偏差均滿足AZi = 0，進(jìn)入步驟11)； 如果有結(jié)構(gòu)物的水位偏差未滿足AZi = 0，進(jìn)入步驟8)； 8)計(jì)算每一結(jié)構(gòu)物的水位相對(duì)誤差I(lǐng)AZiZViU) I ； 9)將每一結(jié)構(gòu)物的水位相對(duì)誤差I(lǐng)AZiZViU) I分別與給定的誤差閾值進(jìn)行比較 如果所有結(jié)構(gòu)物的水位相對(duì)誤差I(lǐng) AZiZViU) I均小于等于給定的誤差閾值，進(jìn)入步驟11); 如果有結(jié)構(gòu)物的水位相對(duì)誤差I(lǐng) AZiZViU) I大于給定的誤差閾值，進(jìn)入步驟10)； 10)校正每一結(jié)構(gòu)物的上游邊界節(jié)點(diǎn)流量Qei，返回步驟5)； 11)結(jié)構(gòu)物的上游流量達(dá)到調(diào)控要求，校正結(jié)束。
4.如權(quán)利要求3所述的一種含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步驟10)通過下式校正每一結(jié)構(gòu)物上游邊界節(jié)點(diǎn)流量Qei Qci = Qci+AQGi Λ Qei與AZi成線性關(guān)系，其比例系數(shù)為 -4>養(yǎng))1，
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含多種結(jié)構(gòu)物渠道的水動(dòng)力條件并行化數(shù)值模擬方法，它假設(shè)結(jié)構(gòu)物處流量，然后根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)物處的流量與水位關(guān)系或者結(jié)構(gòu)物上側(cè)的水位對(duì)假設(shè)的流量進(jìn)行校正，并根據(jù)渠道結(jié)構(gòu)物兩側(cè)流量相等為結(jié)構(gòu)物上下游渠段分別提供下邊界條件和上邊界條件，從而為每一渠段建立一封閉的方程組，且每一方程組中只含同一渠段的變量，使采用隱式差分法離散而成的系數(shù)矩陣仍然保持帶狀特征，物理上相互聯(lián)系的渠段在數(shù)值上相對(duì)獨(dú)立，再利用帶狀矩陣求解出渠段變量，通過Newton-Raphson迭代法校正結(jié)構(gòu)物處流量，使流量達(dá)到調(diào)控目標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明，原求解單一渠道水動(dòng)力條件的程序無需大范圍改變，就可以實(shí)現(xiàn)含多種結(jié)構(gòu)物的渠道的水動(dòng)力條件的并行求解，達(dá)到水量調(diào)控的目標(biāo)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102890732SQ20121033334
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者陳永燦, 朱德軍, 俞茜, 劉昭偉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)