基于HLLC算法的局部多层浅水方程模型在部分阻塞流模拟中的创新应用

本文推荐一篇突破性研究：作者团队在二维(2D)水动力模型中创新性地采用HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)算法求解局部多层浅水方程(SWEs)，通过垂直分层计算水工建筑物(如桥梁/闸门)界面通量，解决了传统经验公式(堰流/孔流)在瞬态流模拟中的精度不足与数值震荡问题。模型经水槽实验与解析解验证，并在南四湖复杂工程中展现了卓越的大尺度洪水模拟能力。

　　

Highlight

基于HLLC算法的局部多层浅水方程创新框架

本研究将McKenna等(2023)提出的局部多层浅水方程(SWEs)概念融入2D水动力模型，采用HLLC近似黎曼求解器计算水工建筑物界面通量。该方法通过垂直分层策略（如图6所示），将闸门所在通量计算界面按结构尺寸分层，每层通量均通过SWEs的HLLC求解器独立计算，既保持了基础模型的数值框架一致性，又显著提升了部分阻塞流的模拟精度。

Case 1: 闸门控制的溃坝问题

该经典验证案例用于测试数值格式的激波捕捉能力（图6）。在100米长无摩擦渠道中部(x=50)设置瞬时开启闸门，通过8组不同初始水深(h_L/h_R)条件测试，模型成功再现了理论预测的水跃、稀疏波等复杂流态，验证了算法在瞬变流中的鲁棒性。

Study area: 南四湖工程应用

作为山东境内库容超60亿m³的大型湖泊，南四湖流域包含53条支流和二集坝（含溢流堰与三组闸门系统）。模型成功模拟了该复杂水系在闸群调控下的洪水演进过程（图16），为防洪规划提供了高精度工具。

Conclusion

本研究突破传统经验公式局限，将HLLC算法与多层SWEs结合，实现了水工建筑物界面通量的物理一致性计算。该方法无需经验参数校准，在保持计算效率的同时，能精确捕捉结构物附近的近场流动特征，为洪水管理提供了新一代模拟范式。