理论教育 离散方程组求解方法及应用

离散方程组求解方法及应用

时间:2023-08-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于河道的所有网格点写出式,可以得到n个线性方程:式中,第一个方程组中的Zus和最后一个方程中的Zds分别是上、下游汊点的水位。对于河网问题,由方程组,通过消元法可以将河道内任意点的水力参数λ表示为上下游汊点水位的函数:只要先求出河道各汊点的水位,就可以用式求解任意河段、任一网格点的水力参数。图3.4-3河网汊点外边界条件。

离散方程组求解方法及应用

(1)河道方程。根据前述离散方程,河道内任意点的水力参数λ(水位Z或流量Q)与相邻网格的水力参数的关系可以表示为一线性方程:

式(3.4-17)中的系数可以分别由式(3.4-15)、式(3.4-16)计算。

假设一河道有n个网格点,因为河道的首末网格点总是水位点,所以n是奇数。对于河道的所有网格点写出式(3.4-17),可以得到n个线性方程:

式中,第一个方程组中的Zus和最后一个方程中的Zds分别是上、下游汊点的水位。某一河道第一网格点的水位等于与之相连河段上游端汊点水位:Z1=Zus,即α1=-1,β1=1,γ1=0,δ1=0。同样,Zn=Zds,即αn=0,βn=1,γn=-1,δn=0。

对于单一河道,只要给出上下游水位边界,即Zus和Zds为已知,就可用消元法求解方程组(3.4-18)。

对于河网问题,由方程组(3.4-18),通过消元法可以将河道内任意点的水力参数λ(水位Z或流量Q)表示为上下游汊点水位的函数:

只要先求出河道各汊点的水位,就可以用式(3.4-19)求解任意河段、任一网格点的水力参数。

(2)汊点方程组。如图3.4-3所示,对于围绕汊点的控制体应用连续性方程

将式(3.4-20)中右边第二个括号里的三项分别以式(3.4-19)代替,可得(www.daowen.com)

式中:Z为汊点的水位;ZA,us、ZB,us分别为支流A、B上游端汊点水位,ZC,ds为支流C下游端汊点水位。

在式(3.4-21)中,将某个汊点的水位表示为与之相连接的河道的汊点水位的线性函数。同样,对于河网所有汊点(假设为N个),就可以得到N个类似的方程(汊点方程组)。在边界水位或流量为已知的情况下,可以利用高斯消元直接求解汊点方程组,得到各个汊点的水位,进而代回式(3.4-19)求解任意河道、任意网格点的水位或流量。

图3.4-3 河网汊点(以三汊点为例)

(3)外边界条件。若在河道边界点上给出水位的时间变化过程:Z=Z(t),此时,假设边界所在河道编号为j,边界上的汊点方程为

若在河道边界点上给出流量的时间变化过程:Q=Q(t),如图3.4-4所示的控制体,应用连续方程可得

图3.4-4 流量边界

若在河道节点上给出的是流量、水位关系Q=Q(Z),其处理方法同流量边界条件,得到与式(3.4-22)类似的方程,只是方程中由流量水位关系计算得到。

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