水深平均的二维浅水方程推导

浅水方程推导

将三维的基本方程沿水深积分平均,即可得到沿水深平均的平面二维流动基本方程。

定义水深为H=\zeta-Z_{0}\zetaZ_{0}为基准面下液面水位和河床高程:

定义沿水深平均流速U_{i}为:

H=\zeta-Z_{0}U_{i}=\frac{1}{H} \int_{z_{0}}^{\zeta} \bar{u}_{i} d z

引用莱布尼兹公式

\frac{\partial}{\partial x_{i}} \int_{b}^{a} f d z=\int_{a}^{b} \frac{\partial f}{\partial x_{i}} d z+\left.f\right|_{b} \frac{\partial b}{\partial x_{i}}-\left.f\right|_{a} \frac{\partial a}{\partial x_{i}}

自由表面及底部运动学条件

\begin{array}{l} \left.\bar{u}_{z}\right|_{z=\zeta}=\frac{d \bar{\zeta}}{d t}=\frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial t}+\left.\frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial x} \bar{u}_{x}\right|_{z=\zeta}+\left.\frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial y} \bar{u}_{y}\right|_{z=\zeta} \\ \left.\bar{u}_{z}\right|_{z=z_{0}}=\frac{d \overline{z_{0}}}{d t}=\frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial t}+\left.\frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial x} \overline{u_{x}}\right|_{z=z_{0}}+\left.\frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial y} \overline{u_{y}}\right|_{z=z_{0}} \end{array}

x方向为例三维流动的运动方程沿水深平均为

\large \int_{z_{0}}^{\zeta}\left[\frac{\partial \overline{u_{x}}}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x}\left(\overline{u_{x}} \overline{u_{x}}\right)+\frac{\partial}{\partial y}\left(\bar{u}_{x} \overline{u_{y}}\right)+\frac{\partial}{\partial z}\left(\overline{u_{x}} \overline{u_{z}}\right)+\frac{1}{\rho} \frac{\partial \bar{p}}{\partial x}-v_{t}\left(\frac{\partial^{2} \overline{u_{x}}}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} \overline{u_{y}}}{\partial y^{2}}+\frac{\partial^{2} \overline{u_{z}}}{\partial z^{2}}\right)\right] d z=0

非恒定项积分

\large \begin{array}{l} \int_{z_{0}}^{\zeta} \frac{\partial u_{x}}{\partial t} d z=\frac{\partial}{\partial t} \int_{z_{0}}^{\zeta} \overline{u_{x}} d z-\left.\frac{\partial \zeta}{\partial t} \overline{u_{x}}\right|_{z=\zeta}+\left.\frac{\partial z_{0}}{\partial t} u_{x}\right|_{z=z_{0}} \\ =\frac{\partial H U_{x}}{\partial t}-\left.\frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial t} \overline{u_{x}}\right|_{z=\zeta}+\left.\frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial t} \overline{u_{x}}\right|_{z=z_{0}} \end{array}

对流项积分

首先将时均流速分解为\large \bar{u}_{i}=U_{i}+\Delta \bar{u}_{i},式中\large U_{i}为垂线平均流速,\large \Delta \bar{u}_{i}为时均流速\large \bar{u}_{i}与垂线平均流速\large U_{i}的差值。

\large \begin{array}{l} \int_{z_{0}}^{\zeta} \overline{u_{x}} \bar{u}_{x} d z=\int_{z_{0}}^{\zeta}\left(U_{x}+\Delta \overline{u_{x}}\right)\left(U_{x}+\Delta \overline{u_{x}}\right) d z \\ =\int_{z_{0}}^{\zeta}\left(U_{x} U_{x}+\Delta \overline{u_{x}} \Delta \overline{u_{x}}+2 U_{x} \Delta \overline{u_{x}}\right) d z \\ =H U_{x} U_{x}+\int_{z_{0}}^{\zeta} \Delta \overline{u_{x}} \Delta \overline{u_{x}} d z=\beta_{x x} H U_{x} U_{x} \end{array}

式中,\large \beta_{x x}=1+\frac{\int_{z_{0}}^{\zeta} \Delta \overline{u_{x}} \Delta \overline{u_{x}} d z}{H U_{x} U_{x}},是由于流速沿垂线分布不均匀而引入的修正系数,类似于水力学中的动量修正系数,其数值一般在1.02—1.05,可以近似取1.0,因此

\large \int_{z_{0}}^{\zeta} \frac{\partial \overline{u_{x}} \overline{u_{x}}}{\partial x} d z=\frac{\partial H U_{x} U_{x}}{\partial x}-\left.\frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial x} \overline{u_{x}} \overline{u_{x}}\right|_{z=\zeta}+\left.\frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial x} \overline{u_{x}} \overline{u_{x}}\right|_{z=z_{0}}

类似,可以得到

\large \int_{z_{0}}^{\zeta} \frac{\partial \overline{u_{x}} \overline{u_{y}}}{\partial y} d z=\frac{\partial H U_{x} U_{y}}{\partial y}-\left.\frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial y} \overline{u_{x}} \overline{u_{y}}\right|_{z=\zeta}+\left.\frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial y} \overline{u_{x}} \overline{u_{y}}\right|_{z=z_{0}}

\large \int_{z_{0}}^{\zeta} \frac{\partial \overline{u_{x}} \overline{u_{z}}}{\partial_{z}} d z=\left.\overline{u_{x}} \overline{u_{z}}\right|_{z=\zeta}-\left.\overline{u_{x}} \overline{u_{z}}\right|_{z=z_{0}}

上几式相加,并利用底部及自由表面运动学条件可得

\large \begin{array}{l} \int_{z_{0}}^{\zeta}\left[\frac{\partial \bar{u}_{x}}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x}\left(\bar{u}_{x} \bar{u}_{x}\right)+\frac{\partial}{\partial y}\left(\bar{u}_{x} \bar{u}_{y}\right)+\frac{\partial}{\partial z}\left(\bar{u}_{x} \bar{u}_{z}\right)\right] d z \\ =\frac{\partial H U_{x}}{\partial t}+\frac{\partial H U_{x} U_{x}}{\partial x}+\frac{\partial H U_{x} U_{y}}{\partial y} \end{array}

压力项积分

\large \int_{z_{0}}^{\zeta} \frac{\partial \bar{p}}{\partial x} d z=\frac{\partial}{\partial x} \int_{z_{0}}^{\zeta} \bar{p} d z-\left.\frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial x} \bar{p}\right|_{z=\zeta}+\left.\frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial x} \bar{p}\right|_{z=z_{0}}(莱布尼茨公式)

\large \bar{p}=\rho g(\bar{\zeta}-z)代入上式后化简得:

\large \int_{z_{0}}^{\zeta} \frac{\partial \bar{p}}{\partial x} d z=\rho g H \frac{\partial H}{\partial x}+\rho g H \frac{\partial \overline{z_{0}}}{\partial x}=\rho g H \frac{\partial \bar{\zeta}}{\partial x}

扩散项积分

\large \int_{z_{0}}^{\zeta}\left[v_{t}\left(\frac{\partial^{2} \bar{u}_{x}}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} \bar{u}_{y}}{\partial y^{2}}+\frac{\partial^{2} \bar{u}_{z}}{\partial z^{2}}\right)\right] d z =v_{t}\left(\frac{\partial^{2} H U_{x}}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} H U_{x}}{\partial y^{2}}\right)-g \frac{n^{2} U_{x} \sqrt{U_{x}^{2}+U_{y}^{2}}}{H^{1 / 3}}+C_{w} \frac{\rho_{a}}{\rho} \omega^{2} \cos \beta

上式右边后两项分别为由底部创面阻力和表面风阻力引起的阻力项。式中,\large C_{w}为无因次风应力系数;\large \rho_{a}为空气密度;\large \omega为风速;\large \beta为风向与x方向的夹角。

最后运动方程写成张量形式为

\large \frac{\partial H U_{i}}{\partial t}+\frac{\partial H U_{i} U_{j}}{\partial x_{j}}+g H \frac{\partial \varsigma}{\partial x_{i}}+g \frac{n^{2} U_{i} \sqrt{U_{j}^{2}}}{H^{1 / 3}}=v_{t} \frac{\partial^{2} H U_{i}}{\partial x_{j}^{2}}​​​​​​​

 

 

### 全二维浅水方程概述 全二维浅水方程是一种简化版的纳维-斯托克斯(N-S)方程,专门用于描述水深较浅情况下的水流特性。这种模型通过将三维流动问题转化为二维平面上的问题来降低复杂度,从而便于计算和分析。具体来说,这些方程考虑了水平方向上的速度分量以及垂直于底面的高度变化。 #### 数学表达式 定义水深 \( h \),其中 \( z_b(x,y,t) \) 表示河床高程,\( \eta (x, y, t)\) 是相对于基准面的水面高度,则有: \[ h=\eta+z_{b} \] 对于任意时刻t和平面上的位置坐标\((x,y)\), 沿着z轴平均后的连续性和动量守恒定律给出如下形式的一组偏微分方程[^3]: **质量守恒(连续性)方程** \[ \frac{\partial}{\partial t}(h)+\nabla\cdot(hu)=0 \] 这里 \( u=(u_x,u_y)^T\) 代表沿x-y平面的速度矢量. **动量守恒方程** \[ \begin{aligned} &\frac{\partial }{{\partial t}}(hu)+\nabla\cdot(huu^{T})+\gamma\nabla(\frac{gh^2}{2})=\\ &-\rho gh\nabla(z_b)-f\times hu+F_d \\ \end{aligned}\] 上述公式中包含了重力加速度g、摩擦力项\(F_d\) 和科氏参数 f 。注意这里的压力梯度已经被替换成了静压假设的形式,并且加入了地形效应的影响。 #### 应用实例 这类方程广泛应用于河流、湖泊和其他自然水域内的洪水预报、潮汐预测等领域。例如,在某些情况下,为了更好地理解特定区域内的水流行为模式,科学家们会构建基于此理论框架的计算机仿真工具来进行研究工作[^1]。此外,还有专门为教育目的设计的教学软件可以帮助学生更直观地学习相关概念[^2]。 ```matlab % MATLAB代码片段:简单的二维浅水方程求解器示意 function shallow_water_solver() % 初始化网格尺寸等参数... while ~converged % 更新时间步长dt % 计算新的状态变量值 H_new = update_height(H_old,U,V); U_new = update_velocity_u(H_old,U,V); V_new = update_velocity_v(H_old,U,V); % 判断收敛条件并更新旧的状态变量 converged = check_convergence(); H_old = H_new; U = U_new; V = V_new; end function new_H = update_height(old_H, old_U, old_V) % 实现高度更新逻辑... end function new_U = update_velocity_u(old_H, old_U, old_V) % 实现U方向速度更新逻辑... end function new_V = update_velocity_v(old_H, old_U, old_V) % 实现V方向速度更新逻辑... end function flag = check_convergence() % 收敛判断标准... end end ```
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