(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211022999.0 (22)申请日 2022.08.24 (71)申请人 西安理工大 学 地址 710048 陕西省西安市碑林区金花 南 路5号 (72)发明人 吕佳豪　侯精明　李东来　荆海晓　 王添　李丙尧　王兴桦　陈光照　 杨露　潘鑫鑫　梁鑫　 (74)专利代理 机构 西安弘理专利事务所 61214 专利代理师 王丹 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 17/10(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于HLL格式的一维 明渠水动力过程模拟方 法 (57)摘要 本发明公开的基于HLL格式的一维 明渠水动 力过程模拟方法， 在计算机中读取计算区域的基 础数据； 采用Godunov格式的有限体积法离散一 维圣维南方程， 得到通量项、 水面坡度源项、 摩阻 源项； 根据设定水深阈值， 判断网格的干湿情况， 并进行标记； 分别采用龙格 ‑库塔方法和MUSCL格 式保证整体时空精度为二阶； 采用HLL格式的近 似Riemann求解器计算界面通量； 采用底坡通量 法计算水面坡度源项； 采用显隐式方法计算摩阻 源项； 更新并最终输出模型模拟的结果文件。 本 方法计算精度高， 可以模拟复杂明渠下的复杂水 流运动过程， 并实现大尺度的一维水流运动过程 模拟。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115358166 A 2022.11.18 CN 115358166 A 1.基于HLL格式的一维明渠水动力过程模拟方法， 其特 征在于， 具体包括如下步骤： 步骤1、 收集整理研究区域断面形状、 断面长度、 水深 ‑过流面积关系、 水深 ‑湿周关系， 以及断面材质便 于确定曼宁系数， 设定模拟运行总时长， 对研究区域进行网格划分并离 散； 步骤2、 采用Godunov格式的有限体积法离散一维圣维南方程， 得到通量项、 水面坡度源 项、 摩阻源项； 步骤3、 通过设定的水深阈值1 ×10‑6， 判断网格的干湿情况， 水深大于阈值为湿网格， 水 深小于阈值 为干网格， 并进行 标记； 步骤4、 采用MUSCL型格式外推构造每个网格左右界面上相应的水深、 流速、 过流面积， 使得求解具有二阶空间精度； 采用龙格 ‑库塔方法实现时间变量步进， 保证时间尺度 精度为 二阶； 步骤5、 根据步骤4中外推的水力要素， 采用HLL格式的近似Riemann求解器计算界面通 量； 步骤6、 采用底坡通 量法计算水面坡度源项； 采用显隐式方法计算摩阻源项； 步骤7、 更新每个网格上的水力要素， 所述水力要素包括流量、 动量、 平均水深、 流速、 过 流面积， 并将其推进到下一个时间步长； 步骤8、 重复步骤3 ‑步骤7， 直到模拟时间达 到设定的模拟总时长， 模拟完成， 结束计算； 步骤9、 输出结果， 获得各网格单元在各个时刻的水力要素值， 输出过水断面流量、 水深 图。 2.根据权利要求1所述的基于HLL格式的一维明渠水动力过程模拟方法， 其特征在于， 步骤2中， 一维圣维南方程具体为： 其中， 式中， U、 F和S分别为基本变量、 通量和源项的矢量形式； t为时间； x为河段长度； A过水 断面面积； Q为断面流量； Z为河道水面高度； g为重力加速度； Sf为河床阻力， 计算公式如下： 式中， n为曼宁系数， R为断面的水力半径。 3.根据权利要求2所述的基于HLL格式的一维明渠水动力过程模拟方法， 其特征在于， 步骤2中， 圣维南方程的离 散形式为： 式中， Ω为控制体的体积； t为时间； 应用高斯散度定理， 式(4)中通 量项的面积分可以用线积分表示 为： ∮ΓF(Ui)·nkdΓ＝F(U)i+1/2‑F(U)i‑1/2                (5)权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115358166 A 2式中， Γ为控制体的边界， Ui为第i个网格单元的基本变量， nk为该网格对应边的法向 量， F(U)i‑1/2和F(U)i+1/2分别为网格单 元左右界面的通 量。 4.根据权利要求3所述的基于HLL格式的一维明渠水动力过程模拟方法， 其特征在于， 步骤4中， MUSCL重构表达式为： 式中， 和 分别右侧界面左右单元的重构值， Δxi和Δxi+1为第i和第i+1个网格 单元的距离 差， 为了避免虚假振荡， 外推斜 率的斜率限制器函数， 其计算方法如下： 式中， xi为第i个网格单 元的长度。 5.根据权利要求1所述的基于HLL格式的一维明渠水动力过程模拟方法， 其特征在于， 步骤5中， HL L格式的近似Rieman n求解器计算界面 通量表达式为： 式中， SL和SR为网格单元左右两侧的波速； FL为左侧网格的通量， FR为右侧网格的通量， F*为HLL近似Rieman n解， 其计算方法为： 式中， F(UL)为取界面左侧网格基本变量进行计算的通量， F(UR)为取界面右侧网格基本 变量进行计算的通 量， UR为界面右侧基本变量， UL为界面左侧基本变量。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115358166 A 3