应用Laplace变换解一维水流问题

如题所述

使用Laplace变换求解地下水运动方程,一般是对时间变化部分进行变换,然后在Laplace空间求解方程。为求解定解问题,边界条件也必须转换到Laplace空间。

在没有源汇项的情况下,一维非稳定流方程可以表示为式(3.1)的形式,即

地下水运动方程

在这个方程两侧针对时间t进行Laplace变换,则

地下水运动方程

根据式(4.2)有

地下水运动方程

其中G(x,s)为H(x,t)的Laplace变换。根据式(4.5)有

地下水运动方程

其中H(x,t=0)为初始条件。

取初始条件为H(x,t=0),则在Laplace空间地下水流方程(4.13)变为

地下水运动方程

现在可以视s为常数,则式(4.17)为一个线性齐次常微分方程,根据附录2,其通解为

地下水运动方程

式中:C1和C2是由边界条件决定的常量。下面分别考虑两种情况进行分析。

1)一侧定水头,另一侧无限远,边界条件表示为

地下水运动方程

利用表4.1,在Laplace空间边界条件变为

地下水运动方程

根据这种边界条件,在式(4.18)中应有

地下水运动方程

即在Laplace空间的解为

地下水运动方程

查表4.1可以得到原函数为

地下水运动方程

式中:erfc(u)表示u的余误差函数。水头分布特征如图4.1a所示。

图4.1 无限长一维非稳定流的水头分布

2)一侧定流量,另一侧无限远,边界条件表示为

地下水运动方程

在Laplace空间边界条件变为

地下水运动方程

根据这种边界条件,在式(4.18)中应有

地下水运动方程

即在Laplace空间的解为

地下水运动方程

对式(4.27)进行Laplace逆变换(张蔚榛,1983)可以得到其原函数为

地下水运动方程

其中ierfc(u)是余误差函数的积分:

地下水运动方程

因此最终的解为

地下水运动方程

其水头分布特征如图4.1b所示。

温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
相似回答