水工合交模型是將物理比尺模型試驗和數值模型計算求解二者結合運作。以解決工程流體力學問題的研究方法。又稱“複合模型”或“混合模型”。
基本介紹
- 中文名：水工合交模型
- 外文名：hybrid modeling
- 學科：水利工程
- 領域：工程技術
簡介,物理比尺模型試驗和數值模型的比較,水工合交模型仿真體系,人員要求,發展現狀,
簡介
水工合交模型是將物理比尺模型試驗和數值模型計算求解二者結合運作。以解決工程流體力學問題的研究方法。又稱“複合模型”或“混合模型”。
物理比尺模型試驗和數值模型的比較
物理比尺模型試驗和數值模型計算各有其優越性和局限性。前者的優點在其直觀顯示性、三維模擬性、流動的連續性，流體的紊流性及描繪複雜邊界和局部細節的功能；但缺點在於場地和比尺的限制、流動控制和量測的困難、單一相似準則和比尺效應所引起的流動失真，試驗工況的多樣和模型實體製作及修改變更的靈活性不足，以及所有這些因素導致的費用高而周期長。數值模型的優點是不受比尺和尺寸大小的限制，邊界或時序等條件改動方便，內容擴充或數據移植便捷，操作速度快，現場勞動力少，由此研究費用相對低廉；但缺點是方程和假設常過分簡化近似、參數的選取困難、紊動表現差、地形邊界和局部細節粗略等。將二者的優點結合起來。揚長避短，互補相成，是眾多研究者的共識和期望。實體流動試驗和快速方程計算耦契約步地操作，形成實時的相互作用，從而求得複雜工程問題更佳的解決。這種思路和仿真新技術在20世紀末的20年中得到嘗試和開拓。此種觀念於1976年由德國提出，接著於1977~1979年實踐於加拿大聖勞倫斯河口。
水工合交模型仿真體系
水工合交模型仿真體系一般由3個部分組成：
①物理比尺模型試驗區域；
②數值模型計算區域；
③前兩者相逢接的合交界面及在這一界面上傳遞流體流動計算和量測的要素變化信息的自動化控制設備系統。
首先要劃分和選定區域。選定物模區域一般為所需驗證和採取方案工程所在的地段。選定數模區域一般為物模中流體運動變化所受的主導影響因素的生成並有合宜適應的方程組能運算求解的區域。對這兩種區域都應儘可能地備有可靠的原型觀測資料以供驗證。
其次為選取的界面。在自然條件下兩個分區中的流動是連續的。試驗研究中各個區域的運作條件既需要分開而又能充分交流信息的斷面，這就是合交界面或稱“接口”。界面控制的信息交流最佳應是觀向的，但實際操作中往往只能是單向的，所傳遞的信息變化要素一般是水位和流量，以其中之一為主。這是決定流場運動的物理量，其他需輸入的物理量或介質(如污染物質)另設實時的專門自動化裝置操作。
關於數值模型和物理比尺模型的理論和技術都各有大量的系統論述和經驗，但在合交模型中就必須與合交界面等3方面共同作為一個整體，統一規劃，配合研究模型的設計和操作，除物理模型和數值模型單獨各自運轉時的要求之外，提出了新的要求。
數值模型計算中的維數、離散化方法、網路劃分、計算格式等的選定，物理模型中的量測儀器配置，量測的模擬值和數字值的相互轉換，與控制裝置的互動運作，都需合理配合。為保證精度，必須設定恰當的合交模型的時間步長。合交界面控制系統及量測設備應進行專門的設計、裝配和運轉。
人員要求
進行合交模型研究的人員需要具備下列三個方面的技術:物理比尺模型試驗，數值模型計算和合交界面上的機電設施、計算機及自動控制。同時三方面緊密協作、互相適應。人員、設備和技術的要求都較高。
發展現狀
在初步嘗試開拓取得重要成果後，近年來符合嚴格的實時耦合併互相信息反饋的合交模型的進展在國內、國際似都並不如預期的那樣迅速廣闊。比較普遍地採用的是一種對數值模型與物理模型平行綜合的合交模型，大多是完全分開平行地進行，“合交”程度低。有的雖各自平行研究，但總體上統一規劃，相互交流調整，雖未達到實時耦合反饋，也能取得較好的實用成果。如美國對哥倫比亞河口的“合交模型”曾綜合運用了現場觀測、解析計算、物理模型和數值模型。研究包括河道水流波浪、潮汐、沿岸流、鹽度、泥沙等一系列物理因素影響下的河口泥沙淤積過程。以較低廉的投入為工程實用完成了複雜的研究任務，不必只從統於一體的高合交度的技術模式來衡量研究工作的質量和水平。
