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专利号: 2018103442115
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于正交试验法的潜流交换影响因素敏感性分析方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1、基于雷诺平均N-S方程及k-ω紊流模型构建二维沙坡上地表水-地下水交换数学模型,包括二维砂土孔隙水流稳态运动方程,并建立溶质运移模型;

步骤2、对地表水-地下水交换数学模型设置边界条件;

步骤3、采用正交试验方法对地表水-地下水交换数学模型进行求解,以监测域点溶质浓度变化至平衡所消耗的时间作为敏感性分析的评价指标对地表水-地下水交换数学模型和溶质运移模型模型参数敏感性进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于正交试验法的潜流交换影响因素敏感性分析方法,其特征在于,所述步骤1中雷诺平均N-S方程具体如下:式中:ρ为流体密度;μ为动力粘度;t为时间;Ui、ui分别为xi方向上的时均流速和瞬态流速;Uj、uj分别为xj方向上的时均流速和瞬态流速;P为时均压强;Sij为i、j方向上的应变率;

为雷诺应力;

雷诺应力与平均应变率有关,定义为:

式中:νt为动涡流粘滞度;δij为克罗内克符号;k为湍流动能;

涡流粘度νt在此湍流闭合模式中表示如下:

式中:ω为比散耗率:

式中:ε为湍流消散率;β*为闭合系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于正交试验法的潜流交换影响因素敏感性分析方法,其特征在于,所述步骤1中k-ω紊流模型表示如下:其中:α=13/25,β=9/125,β*=9/100,σk=σω=0.5;

二维砂土孔隙水流稳态运动方程采用达西定律:

式中:k为各向同性渗透率,μ为动力粘度,P为时均压强,▽为拉普拉斯算符。

4.根据权利要求3所述的一种基于正交试验法的潜流交换影响因素敏感性分析方法,其特征在于,所述步骤1中溶质运移模型采用对流扩散方程式中:C为溶质浓度;vi为i方向上的渗透速度;Dij为水动力弥散系数:式中:αT为横向弥散系数;αL为纵向弥散系数;vj为j方向上的渗透速度;v为总渗透速率;Dm′为分子扩散系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于正交试验法的潜流交换影响因素敏感性分析方法,其特征在于,所述步骤2中对地表水-地下水交换数学模型设置边界条件如下:对地表水上覆水体使用ANSYS-Fluent软件进行设置边界条件,其中,将上覆水体进口边界顶端点定位为a,出口边界顶端点定义为b,出口边界处的水砂交界面点定义为d,进口边界处的水砂交界面点定义为c,ac为速度进口边界,bd为压力出口边界,自由液面ab为对称边界,水砂交界面cd为无滑移墙边界;通过软件模拟计算得出水砂交界面的墙底边界压力;

对地下水下部河床底质使用COMSOL Multiphysics软件进行模拟,其中,将河床底部左端点定义为e,河床底部右端点定义为f,将上述得出的墙底边界压力作为水砂交界面河床底质上部的压力边界,ce、ef和df为无通量边界。

6.根据权利要求1所述的一种基于正交试验法的潜流交换影响因素敏感性分析方法,其特征在于,所述步骤3具体按照以下步骤实施:步骤3.1、输入参数:流速v、水深H、沙丘波高h、波长L、渗透率k、孔隙率θ和分子扩散系数Dm;

步骤3.2、输入边界条件;

步骤3.3、使用正交试验法对地表水-地下水耦合模型和溶质运移模型参数进行了敏感性分析;

步骤3.4、更新二维沙坡上地表水-地下水交换的数学模型参数分布,即更新步骤3.1输入参数中的变量,直至求解收敛,得到依据评价指标监测域点浓度变化至平衡所需消耗时间t对潜流交换各影响因素进行极差分析。

7.根据权利要求6所述的一种基于正交试验法的潜流交换影响因素敏感性分析方法,其特征在于,所述步骤3.3中正交试验设计具体为:设A、B分别表示试验中的两个不同的影响因素;t为影响因素的水平数;Ai表示影响因素A的第i个水平值,i=1,2,…,t;Xij表示影响因素j的第i个水平值,i=1,2,…,n;j=A,B,…,在Xij下进行的n次试验得到的n个试验结果Fk,k=1,2,…,n,计算统计参数为:式中:Kij为影响因素j在i水平下试验结果的平均值;n为影响因素j在i水平下的试验次数;Fk为第k个试验评价指标值; 为所有试验结果的平均值;

极差值Rj是极差分析因素敏感性的评价标准,其公式表示为:Rj=Max{K1j,K2j,…}-Min{K1j,K2j,…}   (17)极差值Rj越大,表明该影响因素的水平改变对试验评价指标的影响越大,即该影响因素的敏感性越大;相反,Rj越小,影响因素敏感性越小。