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邊界條件和初始條件

式(1.23)、式(1.26)和式(1.30)是地下水流的控制方程。為了在某個特定的空間範圍內獲得控制方程的特定解,還必須知道邊界條件。如果流動狀態是隨時間變化的,還必須知道初始條件。

邊界條件壹般包括3種類型。

(1)第壹類邊界條件(Dirichlet條件)

對於特定空間範圍的水流問題,如果水頭在某個邊界上是已知的,則這部分邊界屬於第壹類邊界,可表示為

地下水運動方程

式中:B1表示第壹類邊界的空間位置;H1表示已知的水頭值。如果H1不隨時間變化,則B1是固定水頭邊界。當H1恒定為零時,上述邊界條件為齊次Dirichlet條件。

(2)第二類邊界條件(Neumann條件)

對於特定空間範圍的水流問題,如果某個邊界上的法向水力梯度是已知的,則這部分邊界屬於第二類邊界。第二類邊界可表示為

地下水運動方程

式中:B2表示第二類邊界的空間位置;n為B2的外法線方向;I2表示已知的水力梯度,指向第二類邊界的外法線方向。如果I2=0,則B2是不透水邊界(隔水邊界)。當I2恒定為零時,上述邊界條件為齊次Neumann條件。

(3)第三類邊界條件(Robin條件)

對於特定空間範圍的水流問題,如果某個邊界上的法向水力梯度與水頭具有確定的線性關系,則這部分邊界屬於第三類邊界,可描述為

地下水運動方程

式中:B3表示第三類邊界的空間位置;n為B3的外法線方向;α和β是兩個常數,但可

以隨空間位置變化。當β恒定為零時,上述邊界條件為齊次Robin條件。

在實際問題的研究中,還可能遇到比上述3種類型更復雜的邊界條件。但是,邊界條件的復雜性會給控制方程的求解帶來困難。地下水流問題求解域上的所有邊界都必須對應某種邊界條件,否則得不到控制方程的特定解。

當控制方程式(1.23)、式(1.26)和式(1.30)中含有時間的項為零時,地下水流問題是靜態的、穩定的,只需要邊界條件即可求解。如果含有時間的項存在,則地下水流問題是瞬態的、非穩定的,在邊界條件的基礎上,還必須具備初始條件。

初始條件指某個參考時刻求解域內的水頭分布。取參考時刻的相對時間為零,則初始條件可表示為

地下水運動方程

式中:H0表示初始時刻的水頭值。當H0恒為零時,初始條件是齊次的。