[科普中国]-水工合交模型

水工合交模型是将物理比尺模型试验和数值模型计算求解二者结合运作。以解决工程流体力学问题的研究方法。又称“复合模型”或“混合模型”。

简介水工合交模型是将物理比尺模型试验和数值模型计算求解二者结合运作。以解决工程流体力学问题的研究方法。又称“复合模型”或“混合模型”。

物理比尺模型试验和数值模型的比较物理比尺模型试验和数值模型计算各有其优越性和局限性。前者的优点在其直观显示性、三维模拟性、流动的连续性，流体的紊流性及描绘复杂边界和局部细节的功能；但缺点在于场地和比尺的限制、流动控制和量测的困难、单一相似准则和比尺效应所引起的流动失真，试验工况的多样和模型实体制作及修改变更的灵活性不足，以及所有这些因素导致的费用高而周期长。数值模型的优点是不受比尺和尺寸大小的限制，边界或时序等条件改动方便，内容扩充或数据移植便捷，操作速度快，现场劳动力少，由此研究费用相对低廉；但缺点是方程和假设常过分简化近似、参数的选取困难、紊动表现差、地形边界和局部细节粗略等。将二者的优点结合起来。扬长避短，互补相成，是众多研究者的共识和期望。实体流动试验和快速方程计算耦合同步地操作，形成实时的相互作用，从而求得复杂工程问题更佳的解决。这种思路和仿真新技术在20世纪末的20年中得到尝试和开拓。此种观念于1976年由德国提出，接着于1977~1979年实践于加拿大圣劳伦斯河口。

水工合交模型仿真体系水工合交模型仿真体系一般由3个部分组成：

①物理比尺模型试验区域；

②数值模型计算区域；

③前两者相逢接的合交界面及在这一界面上传递流体流动计算和量测的要素变化信息的自动化控制设备系统。

首先要划分和选定区域。选定物模区域一般为所需验证和采取方案工程所在的地段。选定数模区域一般为物模中流体运动变化所受的主导影响因素的生成并有合宜适应的方程组能运算求解的区域。对这两种区域都应尽可能地备有可靠的原型观测资料以供验证。

其次为选取的界面。在自然条件下两个分区中的流动是连续的。试验研究中各个区域的运作条件既需要分开而又能充分交流信息的断面，这就是合交界面或称“接口”。界面控制的信息交流最佳应是观向的，但实际操作中往往只能是单向的，所传递的信息变化要素一般是水位和流量，以其中之一为主。这是决定流场运动的物理量，其他需输入的物理量或介质(如污染物质)另设实时的专门自动化装置操作。

关于数值模型和物理比尺模型的理论和技术都各有大量的系统论述和经验，但在合交模型中就必须与合交界面等3方面共同作为一个整体，统一规划，配合研究模型的设计和操作，除物理模型和数值模型单独各自运转时的要求之外，提出了新的要求。

数值模型计算中的维数、离散化方法、网络划分、计算格式等的选定，物理模型中的量测仪器配置，量测的模拟值和数字值的相互转换，与控制装置的互动运作，都需合理配合。为保证精度，必须设定恰当的合交模型的时间步长。合交界面控制系统及量测设备应进行专门的设计、装配和运转1。

人员要求进行合交模型研究的人员需要具备下列三个方面的技术:物理比尺模型试验，数值模型计算和合交界面上的机电设施、计算机及自动控制。同时三方面紧密协作、互相适应。人员、设备和技术的要求都较高。

发展现状在初步尝试开拓取得重要成果后，近年来符合严格的实时耦合并互相信息反馈的合交模型的进展在国内、国际似都并不如预期的那样迅速广阔。比较普遍地采用的是一种对数值模型与物理模型平行综合的合交模型，大多是完全分开平行地进行，“合交”程度低。有的虽各自平行研究，但总体上统一规划，相互交流调整，虽未达到实时耦合反馈，也能取得较好的实用成果。如美国对哥伦比亚河口的“合交模型”曾综合运用了现场观测、解析计算、物理模型和数值模型。研究包括河道水流波浪、潮汐、沿岸流、盐度、泥沙等一系列物理因素影响下的河口泥沙淤积过程。以较低廉的投入为工程实用完成了复杂的研究任务，不必只从统于一体的高合交度的技术模式来衡量研究工作的质量和水平2。

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学