一种结冰水库回水区冰塞反演及预测方法与流程

技术特征：
1.一种结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，以结冰水库水域为研究对象，将其沿水流方向和宽度方向划分为若干三角形单元体，按照以下步骤对结冰水库回水区冰塞反演及预测：s1给定水库边界条件以及水库初始水力、水温分布、冰场和堆冰头部位置条件；s2利用水动力模块和热力模块获取当前时刻的水库回水区水力、水温以及水内悬浮颗粒冰浓度分布；s3遍历水库，识别流速和水温与前一时刻相比，是否发生变化，若已发生变化，更新岸冰边界，然后进入步骤s4；否则直接进入步骤s4；s4利用表面冰模块获取当前时刻的水库回水区表面冰压力、表面冰浓度和表面冰厚度分布；s5遍历水库，判断水库表面各单元体节点的表面冰浓度是否大于设定的最大冰浓度，若是，表明表面冰发生机械增厚，修正表面冰厚度，然后进入步骤s6；若不是，则直接进入步骤s6；s6遍历水库，利用颗粒冰堆积层输冰能力模型对存在表面冰的单元体节点下水流强度所能支撑的颗粒冰堆积层输移能力进行计算；s7遍历水库，利用颗粒冰堆积层输移模型以及颗粒冰堆积层厚度变化模型，分别获得当前时刻的颗粒冰堆积层的冰流量和颗粒冰堆积层厚度分布；s8在当前时刻基础上，增加时间步长；若增加后的时间不大于设定时间，返回步骤s2；若增加后的时间大于设定时间，当前程序结束，得到水库的水力、水温以及冰场分布情况。2.根据权利要求1所述的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，所述水动力模块包括建立沿水库深度平均的平面二维连续模型和动量模型；所述连续模型为：所述动量模型为：所述动量模型为：式中：x、y和t分别为空间和时间变量；i、j＝x、y；q
x
、q
y
分别为单宽流量沿x、y方向的分量；ε
ij
是涡粘系数；τ
s
、τ
b
分别为水流与冰面和水流与河床的切应力；h为总水深；h
t
为表面冰或颗粒冰堆积层下的水深；η为水面高程。t
′
ice
为淹没冰厚，t
′
ice
＝ρ
ice
/ρ
·
t
ice
，t
ice
为表面冰厚度t
s
与颗粒冰堆积层厚度h
f
的之和，ρ、ρ
ice
分别为水和冰的密度；n为表面冰浓度。3.根据权利要求1所述的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，所述热力模块包括水温模型、水内悬浮颗粒冰模型；所述水温模型为：
所述水内悬浮颗粒冰模型为：式中，t
w
为水温；c
v
为水内悬浮颗粒冰浓度；c
p
为水的比热容；ν
t
为水内悬浮颗粒冰离散系数；φ为水表面热通量；λ为水内悬浮颗粒冰与颗粒冰堆积层发生交换的体积率，系数；φ为水表面热通量；λ为水内悬浮颗粒冰与颗粒冰堆积层发生交换的体积率，用以下公式确定：式中：k
w
为水的热传导系数；为单个水内悬浮颗粒冰颗粒与水体的热交换nusselt数；n
f
为努赛尔数，n
f
＝c
v
/v0，为单位体积内水内悬浮颗粒冰的晶体个数；v0为水内悬浮颗粒冰颗粒的平均体积，α
o
＝πd
f
·
d
e
，为正对α轴的单个水内悬浮颗粒冰颗粒表面积，d
f
为水内悬浮颗粒冰颗粒α轴的长度，d
e
为水内悬浮颗粒冰颗粒的厚度；e
c
为冰晶单位面积与水的热交换率；l
ice
为水内悬浮颗粒冰的增长所释放的潜热；s
f
＝
‑
p
t
t
w
ꢀꢀꢀꢀ
(1.5)式中，c
p
为水的比热容；式中，式中，为到达表面冰或颗粒冰堆积层底部的水内悬浮颗粒冰的沉积概率；为单位面积上颗粒冰堆积层被侵蚀的定量系数；v
b
为水中悬浮颗粒冰的上浮速度；h为表面冰的等效厚度，h＝t
s
(1
‑
p)h
f
，p为颗粒冰堆积层孔隙率。4.根据权利要求1所述的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，表面冰模块包括运动模型、质量守恒模型、冰面积守恒模型和vep模型；所述运动模型、质量守恒模型和冰面积守恒模型为：所述运动模型、质量守恒模型和冰面积守恒模型为：所述运动模型、质量守恒模型和冰面积守恒模型为：式中：为冰块加速度；m
ice
为单位面积冰质量，m
ice
＝ρ
ice
nt
ice
；ρ
ice
、n和t
s
分别为
表面冰密度，表面冰浓度和表面冰厚；为冰块之间的作用力；为表面冰冰速；为风对表面冰的拖曳力；为水流拖曳力；为重力沿水流方向分力，g
x
、g
y
分别为重力在x、y方向的分量，r
a
为由于机械再分配而引起的冰面积浓度变化；可表达为：式中：σ
xx
、σ
yy
分别为冰块之间的正应力；σ
xy
、σ
yx
分别为冰块之间的剪应力；在二维模式下，vep模型可以写为：式中：k、g分别为河冰的体积弹性模量、剪切弹性模量；ξ
v
、η
v
分别为河冰的体积粘性系数、剪切粘性系数；p为压力项；δ
ij
为克罗内克尔符号；k＝x，y；为克罗内克尔符号；k＝x，y；u、v分别为表面冰速度沿x、y方向的分量；y方向的分量；式中，γ为泊松比；e为杨氏模量；p为压力项，采用以下表达式来描述：式中：θ为冰的内摩擦角；n
max
为冰的最大聚集程度；λ为经验参数。5.根据权利要求1所述的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，所述颗粒冰堆积模块包括输冰能力模型、颗粒冰堆积层输移模型和颗粒冰堆积层厚度变化模型；所述输冰能力模型为：式中：q
uc
为单位宽度内颗粒冰堆积层的冰流量通过能力；θ无因次水流强度；θ
c
为无因次临界水流强度，θ
c
＝0.041；d
n
为冰颗粒标称尺寸，取值为0.0001m；s为冰颗粒与水的密度比，s＝ρ
ice
/ρ；f为颗粒冰上浮速度系数；θ可由以下表达式确定：
式中：u
*ice
为表面冰或颗粒冰堆积层下侧的剪切速度；所述颗粒冰堆积层输移模型为：式中：q
u
为单位宽度内颗粒冰堆积层的冰流量；u
f
为冰盖下颗粒冰堆积层流速；l
x
为颗粒冰堆积层的自适应长度；q
ux
为x方向单位宽度颗粒冰堆积层流量，q
ux
＝q
u
cosθ；q
uy
为y方向单位宽度颗粒冰堆积层流量，q
uy
＝q
u
sinθ；θ为流动方向与x正方向的角度；所述颗粒冰堆积层厚度变化模型为：式中：p为颗粒冰堆积层堆积的孔隙率；h
f
为颗粒冰堆积层堆积厚度；q
f
为水内悬浮颗粒冰层与表面冰底部或颗粒冰堆积层的单位面积交换率，可表示为：式中：n
ice
为颗粒冰堆积层的冰面积浓度，n
ice
＝q
u
/(h
f
u
f
)。6.根据权利要求1或2所述的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，步骤s2包括以下分步骤：s201通过连续模型和动量模型获取水库回水区的水深、流量、流速参数；s202通过水温模型获取水库回水区的水温分布；s203通过水内悬浮颗粒冰模型获取水库回水区的水内悬浮颗粒冰浓度分布。7.根据权利要求6所述的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，步骤s3中，遍历水库表层每个单元体，将每个单元体各节点的流速和水温与前一时刻相比，从而识别每个单元体各节点的流速和水温是否发生变化；当t
w
>0℃，t
w,s
≤t
cr
，且时，表明岸冰生成，此时将满足条件的节点构成的单元体设定为岸冰，从而更新岸冰边界；从而更新岸冰边界；式中：t
w,s
是引入的水表面温度；t
w
为水温，由公式(1.3a)计算得到；φ
wa
为水体向大气的失热量；为风速；b为经验系数；为水流速度；v
cr
为水流临界速度；t
w,s
为水温临界值。8.根据权利要求4或所述的结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，其特征在于，步骤s5中，各单元体节点当前冰含量极限不能超过冰的最大聚集程度，当达到最大值时，就会发生机械增厚，冰的厚度将修正为：
式中，这里的n＞n
max
。

技术总结
本发明公开了一种结冰水库回水区冰塞反演及预测方法，在考虑水动力


技术研发人员：脱友才 邓云
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2021.07.22
技术公布日：2021/10/28