(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 202211107782.X (22)申请日 2022.09.13 (71)申请人 水利部交通 运输部国家能源局南京 水利科学研究院 地址 210029 江苏省南京市广州路2 23号 (72)发明人 翟必垚　潘军宁　假冬冬　杨氾　 杨博　王强　谢冬梅　沈雨生　 孙天霆　孙忠滨　黄哲　周子骏　 刘清君　 (74)专利代理 机构 北京方圆嘉 禾知识产权代理 有限公司 1 1385 专利代理师 程华 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06T 17/20(2006.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、 系统、 设备及介质 (57)摘要 本发明涉及一种波浪作用下冰盖破碎过程 模拟方法、 系统、 设备及介质， 属于数字水利工程 领域。 该方法首先根据地形高程数据进行计算网 格划分和高程插值， 建立目标河道的河道模型； 根据目标河道的流量水位监测数据确定河流平 稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的 糙率； 根据河道模型和所述稳态水力模型调试构 造目标涌水波的流量边界条件； 采集目标河道的 图像并根据图像建立目标河道水面处的冰盖计 算模型； 基于涌水波的流量边界条件和冰盖计算 模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和 冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。 采 用本发明方法能够实现对特定目标河道中不同 形状波浪和冰盖相互作用以及冰盖破碎过程的 准确模拟。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 115408959 A 2022.11.29 CN 115408959 A 1.一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法， 其特 征在于， 包括： 获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插 值， 建立所述目标河道的河道模型； 根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所 述河道模型的糙 率； 根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流 量边界条件； 采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖 计算模型； 基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的 相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。 2.根据权利要求1所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法， 其特征在于， 所述获取目 标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值， 建立所述 目标河道的河道模型， 具体包括： 获取目标河道的地形高程数据； 基于所述地形高程数据， 通过水文软件SMS对所述目标河道的边界进行高程插值， 对计 算网格进行构建， 以此确定河道模型计算域和计算网格， 确定河道入流和出流的上下游边 界， 从而建立出 所述目标河道的河道模型。 3.根据权利要求2所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法， 其特征在于， 所述根据 所 述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型 的糙率， 具体包括： 根据所述目标河道的流 量水位监测数据确定河流平稳期时的流 量边界条件Q0(t)； 将所述河流平稳期时的流量边界条件 Q0(t)代入河流二维浅 水方程进行求解， 得到河道 沿程流速和水位分布情况并据此构建河流平稳期时的稳态水力模型； 通过将所述河道沿程流速和水位分布情况与所述流量水位监测数据对比率定所述河 道模型的糙 率。 4.根据权利要求3所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法， 其特征在于， 所述根据 所 述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流 量边界条件， 具体包括： 根据所述河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)建立涌水波水力模型的流量边界条件 其中t表示时间变量， Q(t)为涌水波水力模型的流量边界 条件； δ 为 流量最大增量比例系数， t0为流量变化的时间； 基于所述河道模型和所述稳态水力模型， 由上游至下游依次选取河道深泓线附近处的 节点， 以节点沿河道距上游边界距离为横坐标， 以节点处的水面高程为 纵坐标， 绘制河道沿 程水面线分布曲线； 所述河道沿程水面线能够反映所述涌水波水力模型中设置流量边界条 件生成的波浪波形； 根据所述河道沿程水面线反映的波浪波形对所述涌水波水力模型中的流量边界条件Q (t)做适当调整， 调试 出目标涌水波的流 量边界条件。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115408959 A 25.根据权利要求4所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法， 其特征在于， 所述采集所 述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型， 具 体包括： 采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料确定目标河道水面处冰盖的 几何信息， 所述冰盖的几何信息包括冰盖的形状和尺寸； 根据现场观测资料确定目标河道水面处冰盖的厚度和强度； 将所述冰盖的几何信息等比例嵌入所述河道模型的河道边界中以形成计算冰域； 通过网格划分软件将所述计算冰域划分成冰域计算平面网格； 采用闵可夫斯基差运算对所述冰域计算平面网格进行腐蚀运算， 并根据 所述冰盖的厚 度对冰域计算平面网格进 行厚度方向的拉伸， 根据闵可夫斯基和运算用球体扩展多边形得 到计算冰域内部的扩展 多面体单 元； 采用离散元方法粘结模型将所述扩展多面体单元进行粘结组成完整的冰盖离散元计 算模型； 根据所述冰盖的强度设定所述冰盖离散元计算模型中各计算单元的粘结强度， 得到所 述冰盖计算模型。 6.根据权利要求5所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法， 其特征在于， 所述基于所 述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过 程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示， 具体包括： 将所述目标涌水波的流量边界条件所述冰盖计算模型置于同一坐标系中进行离散元 水动力学耦合计算， 模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程； 通过绘制断开的河冰粘结单元来反映冰盖裂纹分布变化 时程结果， 统计碎冰块的数量 和尺寸分布并进行模拟结果的可视化显示。 7.一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟系统， 其特 征在于， 包括： 河道模型建立模块， 用于获取目标河道的地形高程数据并根据 所述地形高程数据进行 计算网格划分和高程插值， 建立所述目标河道的河道模型； 水力模型建立模块， 用于根据 所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的 稳态水力模型并率定所述河道模型的糙 率； 流量边界条件调试模块， 用于根据 所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌 水波的流 量边界条件； 冰盖计算模型建立模块， 用于采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料 建立目标河道水面处的冰盖计算模型； 冰盖破碎过程模拟模块， 用于基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模 型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。 8.一种电子设备， 包括存储器、 处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上 运行的计算机程序， 其特征在于， 所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6 中任一项所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。 9.一种非暂态计算机可读存储介质， 其上存储有计算机程序， 其特征在于， 所述计算机 程序被执 行时实现如权利要求1至 6中任一项所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115408959 A 3