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基于二维浅水方程的胖头泡蓄滞洪区洪水演进数值模拟 被引量:1
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作者 孙振宇 周运浩 +2 位作者 张勤旭 秦梦恩 张明亮 《人民珠江》 2024年第6期82-91,共10页
探究蓄滞洪区洪水演进对蓄滞洪区的防洪工作有着重要意义。为在洪水来临时,短时间内对洪水运动进行预测。运用Godunov型有限体积法建立了1个二维浅水水动力数值模型,该模型的的优势在于采用非结构性三角形网格,能够较好地拟合不规则边界... 探究蓄滞洪区洪水演进对蓄滞洪区的防洪工作有着重要意义。为在洪水来临时,短时间内对洪水运动进行预测。运用Godunov型有限体积法建立了1个二维浅水水动力数值模型,该模型的的优势在于采用非结构性三角形网格,能够较好地拟合不规则边界,并采用GPU异构并行技术,有效解决了非结构化网计算耗时长的问题,运用限制器减少二阶精度数值的扩散和振荡,引入负水深和干湿边界处理技术,使模型模拟的精确度得到了有效提高。模型应用多个溃坝水流实验算例对模型进行率定,在验证其具有良好的干湿边界计算能力和静水和谐性的基础上,采用嫩江流域1998年洪水数据对嫩江流域的胖头泡蓄滞洪区的洪水演进进行模拟计算。结果显示:模型对胖头泡蓄滞洪区模拟的蓄水量为34.9亿m^(3),与实测值的相对误差为1.7%,洪水淹没面积为1 267.27 km^(2),与实测值的相对误差为9.24%。对研究区域不同的土地类型进行糙率分区的情况下,模型模拟的蓄水量结果更趋近于实测结果。并行化后的程序能使模型计算速度提升33%,因此模型能快速、精准计算复杂地形溃决水流的洪水演进过程。研究结果可以为蓄滞洪区的防洪规划、灾情预警提供相关信息。 展开更多
关键词 浅水方程 有限体积法 蓄滞洪区 洪水演进
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多孔浅水方程的高阶平衡保正有限差分AWENO格式
2
作者 刘仁迪 钱守国 李刚 《应用数学进展》 2024年第10期4629-4641,共13页
本文提出了求解具有不连续孔隙度和底部地形的一维多孔浅水方程的高阶平衡保正有限差分AWENO格式,所提出的格式保持了静水稳态的良好平衡特性。在这个数值框架中,采用静水重构方法具有两个主要优点:1) 使用任意单调通量和重新表述源项... 本文提出了求解具有不连续孔隙度和底部地形的一维多孔浅水方程的高阶平衡保正有限差分AWENO格式,所提出的格式保持了静水稳态的良好平衡特性。在这个数值框架中,采用静水重构方法具有两个主要优点:1) 使用任意单调通量和重新表述源项的方法获得了良好平衡特性。2) 采用Lax-Friedrichs (LF)通量的一阶方案在适当的时间步长内保持了水高保正性。通过大量的数值算例验证了该格式具有高阶精度和良好平衡特性,所有算例的数值结果与解析解一致。In this paper, we propose a higher-order well-balanced and positivity-preserving finite-difference AWENO scheme for solving the one-dimensional porous shallow water equation with discontinuous porosity and bottom topography. The proposed format maintains the well-balanced property of the hydrostatic steady state. In this numerical framework, the hydrostatic reconstruction (HR) method is employed with two main advantages: 1) The method using arbitrary monotone fluxes and reformulated source terms obtains the well-balanced property. 2) The first-order scheme using Lax-Friedrichs (LF) fluxes and the HR method maintains the water height preserving properties with an appropriate time step. We verify that the scheme has high-order accuracy and well-balanced properties through a large number of numerical examples, and the numerical results of all cases agree with the analytical solutions. 展开更多
关键词 多孔浅水方程 AWENO格式 静水重构方法 良好平衡性
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浅水方程大时间步长离散方法研究进展
3
作者 许仁义 赵磊 +1 位作者 王远见 徐波 《人民黄河》 CAS 北大核心 2023年第1期41-46,共6页
大时间步长格式(LTS)作为一种高效的计算格式,在将其应用于求解双曲型偏微分方程时,能显著提高其计算效率。从其被提出至今已有40多a,仍然是研究的热点。从线性标量方程出发,引出了LTS的基本思想和方法,通过单波在一个时间步长内穿过多... 大时间步长格式(LTS)作为一种高效的计算格式,在将其应用于求解双曲型偏微分方程时,能显著提高其计算效率。从其被提出至今已有40多a,仍然是研究的热点。从线性标量方程出发,引出了LTS的基本思想和方法,通过单波在一个时间步长内穿过多个单元,突破了CFL定理的限制。在将其扩展到非线性双曲守恒律时,出现了非线性波叠加、稀疏波断裂、振荡等一系列问题。这些问题有的通过巧妙的方法得到了解决,有的仍然悬而未决,这也是LTS将来研究的方向。 展开更多
关键词 浅水方程 数值模拟 大时间步长格式 底坡源项-
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求解浅水方程组的三阶WENO新格式
4
作者 胡伟依 李小纲 邓玉喜 《人民黄河》 CAS 北大核心 2023年第12期31-36,共6页
浅水方程的求解难点在于存在间断问题。研究具有高分辨率且对间断有效模拟能力强的求解方法,对提高方程求解精度具有重大意义。以WENO差分格式为基础,对全局光滑因子进行拆分和泰勒级数展开,并引入调节耗散性的参数p,建立了求解浅水方... 浅水方程的求解难点在于存在间断问题。研究具有高分辨率且对间断有效模拟能力强的求解方法,对提高方程求解精度具有重大意义。以WENO差分格式为基础,对全局光滑因子进行拆分和泰勒级数展开,并引入调节耗散性的参数p,建立了求解浅水方程组的三阶WENO新格式。通过数值模拟验证表明,所建立的新格式的优势主要是在函数的极值点处可以保持三阶精度且捕捉间断的能力强;通过增大间断模板分配权重,可以降低数值耗散、提高对间断点的分辨率;修改带源项浅水方程的动量项,重构源项后浅水方程能够满足静水条件下的和谐性。 展开更多
关键词 浅水方程 三阶WENO格式 高分辨率 高精度
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自适应网格在复杂地形浅水方程求解中的应用 被引量:10
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作者 周建中 张华杰 +2 位作者 毕胜 严凡 赵越 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第6期861-868,共8页
计算域内地形的概化精度对模拟结果有较大影响,针对实际地形中同时存在狭长河谷与广阔泛洪区的问题,在层次自适应网格模型的基础上,研究了网格快速加密与合并的步骤,并以水位梯度与局部弗劳德数为基础设计了网格自适应准则,当水流运动... 计算域内地形的概化精度对模拟结果有较大影响,针对实际地形中同时存在狭长河谷与广阔泛洪区的问题,在层次自适应网格模型的基础上,研究了网格快速加密与合并的步骤,并以水位梯度与局部弗劳德数为基础设计了网格自适应准则,当水流运动情势变化时网格密度自动调整,实现计算精度与效率的平衡。在此网格模型基础上,采用有限体积法求解二维浅水方程,利用梯度限制器技术及龙格-库塔法提高模型的空间、时间计算精度。算例表明,层次自适应网格模型既能实现随水流运动动态变化并捕获水位计算敏感区,也能对局部区域进行静态固定加密,自适应性良好,具有较好的推广应用价值。 展开更多
关键词 洪水 二维浅水方程 自适应网格 Godunov格式 复杂地形
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浅水方程大规模并行计算模拟城市洪水演进 被引量:6
6
作者 许栋 PAyet David +3 位作者 及春宁 徐彬 白玉川 刘红波 《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》 EI CSCD 北大核心 2016年第4期341-348,共8页
基于有限体积法建立求解溃坝水流运动的数学模型,利用Riemann问题求解Godunov格式计算通量,通过空间分块划分的大规模并行计算来加速运算,实现了城市洪水演进的精细数值模拟.数值模拟结果表明,建筑物在溃坝波波前到达初期所受水流荷载最... 基于有限体积法建立求解溃坝水流运动的数学模型,利用Riemann问题求解Godunov格式计算通量,通过空间分块划分的大规模并行计算来加速运算,实现了城市洪水演进的精细数值模拟.数值模拟结果表明,建筑物在溃坝波波前到达初期所受水流荷载最大;受上游建筑物消波、蔽护作用,溃口下游建筑物所受荷载随至溃口的距离的增大而减小,建筑物的存在使得溃坝波在城区传播速度减慢.并行测试表明,缓冲模式比非缓冲模式更适用于浅水方程大规模并行求解.目前大规模并行计算能够实现对面积达400,km2的城区洪水演进进行实时仿真模拟,为滨河、滨海城市在受到溃坝、海啸等洪水威胁时的快速决策和应急疏散提供科学依据. 展开更多
关键词 洪水 浅水方程 溃坝 并行计算
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基于和谐性离散格式求解带源项的二维浅水方程 被引量:9
7
作者 王昆 金生 +1 位作者 马志强 高述峰 《水动力学研究与进展(A辑)》 CSCD 北大核心 2009年第5期535-542,共8页
本文采用基于HLL近似Riemann解的Godunov格式,在三角形网格下,建立了二维浅水方程的有限体积数值离散模型。底坡源项采用与静压梯度项统一的矩阵散度处理方式,并证明了格式具备和谐性。通过算例验证了格式的有效性。
关键词 二维浅水方程 HLL 源项 和谐性
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带源项浅水方程的通量平衡离散 被引量:10
8
作者 王志力 耿艳芬 金生 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第3期373-379,共7页
以Roe的近似Riemann解为基础,将源项按特征方向进行特征分解,建立了带源项浅水方程的通量平衡Go dunov求解格式。此格式具有迎风的性质并保证了变宽、非平底坡浅水方程计算的和谐性和存在底摩擦时的收敛性。通过实例验证了此法具有和谐... 以Roe的近似Riemann解为基础,将源项按特征方向进行特征分解,建立了带源项浅水方程的通量平衡Go dunov求解格式。此格式具有迎风的性质并保证了变宽、非平底坡浅水方程计算的和谐性和存在底摩擦时的收敛性。通过实例验证了此法具有和谐、健全、通用性好、分辨率高等优点。 展开更多
关键词 浅水方程 源项 黎曼解 溃坝 有限体积 通量平衡
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一维浅水方程的高精度GODUNOV格式 被引量:15
9
作者 耿艳芬 王志力 金生 《水动力学研究与进展(A辑)》 CSCD 北大核心 2005年第4期507-512,共6页
以HLLE的近似Riemann解为基础,时间积分采用改进的二步RUNGE-KUTTA法,空间通过重构和通量限制获得时间和空间均为二阶精度的一维浅水方程的Godunov离散格式。此格式具有TVD的性质,保证了数值解收敛于弱解,在TVD意义下无假振,保持初值的... 以HLLE的近似Riemann解为基础,时间积分采用改进的二步RUNGE-KUTTA法,空间通过重构和通量限制获得时间和空间均为二阶精度的一维浅水方程的Godunov离散格式。此格式具有TVD的性质,保证了数值解收敛于弱解,在TVD意义下无假振,保持初值的单调性,解自动满足熵条件。通过实例比较了各种通量限制因子在求解方程中的优缺点,验证了此方法具有守恒性、鲁棒性、无虚假振荡并能高分辨率地捕捉间断等优点。 展开更多
关键词 一维浅水方程 HLLE黎曼解 间断捕捉 通量限制器
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三角形网格下求解二维浅水方程的KFVS格式 被引量:55
10
作者 潘存鸿 徐昆 《水利学报》 EI CSCD 北大核心 2006年第7期858-864,共7页
以Boltzmann方程为基础,建立了求解二维浅水方程的KFVS(Kinetic Flux Vector Splitting)格式。为保证计算格式的和谐性,通量计算中考虑了底坡源项的作用。在此基础上,采用特殊的底坡源项处理技术,建立了三角形网格下二阶精度的KFVS和谐... 以Boltzmann方程为基础,建立了求解二维浅水方程的KFVS(Kinetic Flux Vector Splitting)格式。为保证计算格式的和谐性,通量计算中考虑了底坡源项的作用。在此基础上,采用特殊的底坡源项处理技术,建立了三角形网格下二阶精度的KFVS和谐格式。经典型算例和钱塘江涌潮计算验证,证明本文提出的方法分辨率高,边界适应性强,并具有模拟间断流动的能力。 展开更多
关键词 二维浅水方程 有限体积法 三角形网格 KFVS格式 源项
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非结构型浅水方程数值模式的建立及应用 被引量:10
11
作者 孔俊 宋志尧 张红贵 《河海大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2006年第4期456-459,共4页
用非结构三角形同位网格剖分计算区域、布置计算变量,用有限体积法离散方程,并采用推进线边界法处理动边界问题,从而建立了一种新的浅水方程数值模式.京唐港和三沙湾海域潮流的率定、验证结果表明,该模式不仅物理意义明确,数值方法简单... 用非结构三角形同位网格剖分计算区域、布置计算变量,用有限体积法离散方程,并采用推进线边界法处理动边界问题,从而建立了一种新的浅水方程数值模式.京唐港和三沙湾海域潮流的率定、验证结果表明,该模式不仅物理意义明确,数值方法简单,全域内满足水流质量和动量的守恒性,而且能更好地模拟海湾、河口复杂地形下的水流运动,反映水流漫滩和露滩等过程. 展开更多
关键词 浅水方程 非结构同位网格 有限体积法 线边界法 动边界
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正交曲线坐标系二维浅水方程ELADI有限差分方法 被引量:5
12
作者 周刚 郑丙辉 +2 位作者 胡德超 雷坤 乔飞 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第4期523-531,共9页
N-S方程数值模拟的精度和效率一直是计算流体力学的重要研究课题。结合欧拉-拉格朗日方法(ELM)和交替方向隐式方法(AD I)建立正交曲线坐标系二维浅水方程的ELAD I(Eu lerian-Lagrangian alternating d irection imp lic itm ethod)有限... N-S方程数值模拟的精度和效率一直是计算流体力学的重要研究课题。结合欧拉-拉格朗日方法(ELM)和交替方向隐式方法(AD I)建立正交曲线坐标系二维浅水方程的ELAD I(Eu lerian-Lagrangian alternating d irection imp lic itm ethod)有限差分方法,详细阐述了基本原理和离散方法,分析了ELM方法的数值扩散特性,并通过室内水槽和天然河道资料与传统AD I方法进行了验证比较。模拟结果表明,ELAD I方法在达到一定计算精度的同时,计算效率显著提高,对于某些算例,比传统AD I方法提高近90%,Courant数可以达到40以上。 展开更多
关键词 二维 正交曲线 浅水方程 欧拉-拉格朗日方法 交替方向隐式方法
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包含泥沙冲淤的浅水方程的混合有限元法(Ⅰ)——时间连续的情形 被引量:6
13
作者 罗振东 朱江 +1 位作者 曾庆存 谢正辉 《应用数学和力学》 EI CSCD 北大核心 2004年第1期74-84,共11页
研究由水动力方程、泥沙输运方程和河床变化方程组成的浅水方程的初边值问题,讨论其广义解和混合有限元解的存在性,并导出半离散混合有限元解的误差估计,这些估计是最优阶的。
关键词 混合有限元法 浅水方程 误差估计 泥沙冲淤
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二维浅水方程的非结构网格数值解 被引量:9
14
作者 王立辉 胡四一 龚春生 《水利水运工程学报》 CSCD 北大核心 2006年第1期8-13,共6页
用Lax-W endroff格式和Lax-Friedrichs格式交替使用形成的复合型格式,对二维浅水方程在非结构网格上进行离散,利用不同格式之间数值耗散、数值色散而相互补偿和抵消的复合作用,消除数值计算中出现的非物理振荡和过度光滑现象.利用本文... 用Lax-W endroff格式和Lax-Friedrichs格式交替使用形成的复合型格式,对二维浅水方程在非结构网格上进行离散,利用不同格式之间数值耗散、数值色散而相互补偿和抵消的复合作用,消除数值计算中出现的非物理振荡和过度光滑现象.利用本文算法对斜水跃问题、二维矩形部分溃坝模型和二维圆形全溃模型模拟的结果表明,该算法具有较高的涌波捕捉能力,适合处理边界面复杂的浅水流动问题. 展开更多
关键词 非结构网格 复合型格式 非恒定流 二维浅水方程 数值模拟
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基于二维浅水方程的滑坡体兴波数值模型 被引量:7
15
作者 房克照 尹晶 +1 位作者 孙家文 焦子峰 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第1期96-105,共10页
基于有限体积方法和结构化网格,建立了海底滑坡引起的波浪传播数值模型。模型控制方程为考虑了海床随时间变化的二维浅水方程。采用中心迎风格式计算控制体界面数值通量,采用线性重构技术、局部海床高程处理技术和全隐式离散底摩阻项,... 基于有限体积方法和结构化网格,建立了海底滑坡引起的波浪传播数值模型。模型控制方程为考虑了海床随时间变化的二维浅水方程。采用中心迎风格式计算控制体界面数值通量,采用线性重构技术、局部海床高程处理技术和全隐式离散底摩阻项,保证了格式的和谐性、守恒性和水深非负性,有效处理了海岸动边界问题。时间积分采用具有强稳定性质的二阶龙格-库塔方法 (ssp RK)。针对滑坡体兴波经典算例开展数值模拟,将计算结果与解析解、实验结果及其他模型计算结果进行比较和分析。结果表明,对于所考虑的计算工况,模型能较合理地模拟滑坡兴波的产生、传播和爬高过程。 展开更多
关键词 滑坡体兴波 非线性浅水方程 有限体积方法 中心迎风格式
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浅水方程数值计算方法的研究 被引量:7
16
作者 张修忠 王光谦 金生 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第4期417-423,共7页
求解以水位为变量的连续方程,并根据Navier Stokes方程压力修正算法的基本思想,建立了浅水方程的水位修正算法,放宽了对离散时间步长的限制。通过对离散方程系数矩阵的重新构造,建立了高分辨率有限元格式,该格式既具有较高的离散精度又... 求解以水位为变量的连续方程,并根据Navier Stokes方程压力修正算法的基本思想,建立了浅水方程的水位修正算法,放宽了对离散时间步长的限制。通过对离散方程系数矩阵的重新构造,建立了高分辨率有限元格式,该格式既具有较高的离散精度又避免了数值解的伪振荡。对动量方程的阻力项做负坡线性化处理,提高了露滩计算的稳定性。数值模拟结果与解析解吻合良好,表明所建立的数值计算方法是正确的和可靠的。 展开更多
关键词 浅水方程 数值计算 水位修正算法 高分辨率格式 有限元法
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浅水方程Roe型格式的平衡性 被引量:5
17
作者 何杰 徐志扬 辛文杰 《河海大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2009年第4期450-456,共7页
采用类似对流项特征向量分解形式分裂底坡源项,证明了浅水方程中底坡源项和压力项的平衡性,有效避免了多变地形下伪流现象的产生.运用该模式对水下地形多变、岛屿星罗棋布的浙江省温岭龙门海域进行了潮流运动模拟,模拟计算结果与水文测... 采用类似对流项特征向量分解形式分裂底坡源项,证明了浅水方程中底坡源项和压力项的平衡性,有效避免了多变地形下伪流现象的产生.运用该模式对水下地形多变、岛屿星罗棋布的浙江省温岭龙门海域进行了潮流运动模拟,模拟计算结果与水文测验数据拟合程度较好. 展开更多
关键词 Roe格式 浅水方程 平衡性 伪流
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求解非平底一维浅水方程的KFVS格式 被引量:17
18
作者 徐昆 潘存鸿 《水动力学研究与进展(A辑)》 CSCD 北大核心 2002年第2期140-147,共8页
以 Boltzmann方程为基础 ,本文提出了求解非平底浅水方程的 KFVS(Kinetic FluxVector Splitting)格式。因通量计算中考虑了底坡项的作用 ,计算方法和谐 ,即在非平底静水计算中始终能保持流速为零 ,水位为常数。数值试验表明 ,无论是计... 以 Boltzmann方程为基础 ,本文提出了求解非平底浅水方程的 KFVS(Kinetic FluxVector Splitting)格式。因通量计算中考虑了底坡项的作用 ,计算方法和谐 ,即在非平底静水计算中始终能保持流速为零 ,水位为常数。数值试验表明 ,无论是计算恒定流还是非恒定流 。 展开更多
关键词 一维浅水方程 BOLTZMANN方程 KFVS格式 底坡项 非平底静水
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含底坡项浅水方程的一种数值求解方法 被引量:4
19
作者 朱德军 陈永灿 +1 位作者 刘昭伟 李钟顺 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第6期796-801,共6页
激波捕捉格式能处理含强间断的浅水方程,因为必须采用关于守恒变量的守恒形式方程,作为水流实际驱动力的水位梯度项被分解为压力梯度项和底坡项,如果离散格式不能很好地平衡这两项的作用,将导致不准确的结果。基于理论推导,提出了一种... 激波捕捉格式能处理含强间断的浅水方程,因为必须采用关于守恒变量的守恒形式方程,作为水流实际驱动力的水位梯度项被分解为压力梯度项和底坡项,如果离散格式不能很好地平衡这两项的作用,将导致不准确的结果。基于理论推导,提出了一种新方法,在单元内部采用非守恒形式,保留水位梯度项,在界面处采用守恒格式捕捉间断。利用4个具有代表性的算例对提出的方法进行了验证,结果表明,该方法能够处理变化地形上的强间断和流态变化,并能够准确捕捉扰动的传播过程。 展开更多
关键词 浅水方程 底坡项 间断
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应用最优控制理论自动率定二维浅水方程的糙率参数 被引量:5
20
作者 赖锡军 姜加虎 黄群 《水科学进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第3期383-388,共6页
应用偏微分方程最优化控制理论,导出了二维浅水方程糙率自动率定的最优化系统,实现了二维水力学模型计算中分布式糙率参数的自动率定算法。结合实际应用的可操作性,按区块设定糙率,对恒定流和非恒定流两种流态分别进行了常数糙率和随水... 应用偏微分方程最优化控制理论,导出了二维浅水方程糙率自动率定的最优化系统,实现了二维水力学模型计算中分布式糙率参数的自动率定算法。结合实际应用的可操作性,按区块设定糙率,对恒定流和非恒定流两种流态分别进行了常数糙率和随水深变化的糙率自动率定实验。数值实验表明,在观测数据包含足够的信息时,该方法不仅能够准确地自动率定出相关的糙率参数,还能成功地将糙率随水深的变化关系式识别出来。但是,糙率水深变化关系识别迭代收敛速度显著变慢,因此,建议采用相应的实现对策来考虑变糙率的洪水预测问题。 展开更多
关键词 糙率 自动率定 参数识别 最优化控制 浅水方程
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