[發(fā)明專利]一種基于數(shù)值模擬的孔板與洞塞劃分方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711061447.X
• 申請(qǐng)日: 2017-11-01
• 公開（公告）號(hào): CN107895070A
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 艾萬政;王偉軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務(wù)所有限公司33109
• 代理人: 尉偉敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)值模擬的孔板與洞塞劃分方法。

背景技術(shù)

隨著水電事業(yè)的快速發(fā)展，在水電工程項(xiàng)目中，高壩的使用越來越多，如此高的大壩，其下泄的水流具有巨大的能量，如何將高壩下泄的巨大能量消殺掉，以保護(hù)大壩及下游河道的安全，一直是擺在廣大水電工作者面前的一大重要課題。

孔板或洞塞在高壩泄洪中有重要應(yīng)用，孔板或洞塞消能借助其特殊的體型，使得水流經(jīng)過孔板時(shí)會(huì)產(chǎn)生突縮和突擴(kuò)，從而形成強(qiáng)紊動(dòng)和強(qiáng)剪切，以達(dá)到消能的目的。孔板或洞塞具有布置簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、消能效率高、空化空蝕破壞較小等特點(diǎn)，在未來水電消能中有著重要的應(yīng)用前景。

孔板或洞塞均為消能孔，由于厚度不同，水流流過孔板時(shí)，水流只有一次突縮和突擴(kuò)，而水流流過洞塞時(shí)，由于洞塞厚度大，水流有兩次突縮和突擴(kuò)，具體點(diǎn)說，空腔長(zhǎng)度L小于消能孔厚度T時(shí)為洞塞，空腔長(zhǎng)度L大于消能孔厚度T時(shí)為孔板，可見水流經(jīng)過孔板或洞塞時(shí)流動(dòng)規(guī)律是不一樣的，因此在高壩消能設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是采用多級(jí)消能孔結(jié)構(gòu)時(shí)，要對(duì)孔板和洞塞進(jìn)行劃分，提高消能效率，但目前還沒有人提出孔板與洞塞具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

《中國農(nóng)村水利水電》2009年第6期，文章名為“消能孔消能綜述”中介紹了孔板和洞塞的幾種實(shí)現(xiàn)方式、研究現(xiàn)狀及實(shí)際應(yīng)用，但是對(duì)孔板和洞塞只是概念上的區(qū)別描述，沒有涉及孔板與洞塞具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)值模擬的孔板與洞塞劃分方法，以便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)孔板和洞塞進(jìn)行準(zhǔn)確地劃分，提高消能效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于數(shù)值模擬的孔板與洞塞劃分方法，具體采用如下步驟：

步驟一、選定空腔長(zhǎng)度L為考察量，空腔長(zhǎng)度L小于消能孔厚度T時(shí)為洞塞，空腔長(zhǎng)度L大于消能孔厚度T時(shí)為孔板；

步驟二、確定影響空腔長(zhǎng)度L的因素，包括泄洪洞內(nèi)水流的平均流速u，水流密度ρ，水流粘度μ，泄洪洞直徑D，消能孔直徑d；

步驟三、基于RNG k-ε模型建立水流通過消能孔的數(shù)值模擬模型；

步驟四、對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析擬合，確定空腔長(zhǎng)度L與相關(guān)因素的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，根據(jù)獲得的空腔長(zhǎng)度L與消能孔厚度T進(jìn)行比較，劃分孔板和洞塞。

作為優(yōu)選，步驟二中確定影響空腔長(zhǎng)度L的因素具體為通過量綱分析進(jìn)一步得：L/D＝f(β，Re)，其中Re＝uDρ/μ為雷諾數(shù)，β＝d/D為孔徑比。

作為優(yōu)選，步驟三中基于RNG k-ε模型建立水流通過消能孔的數(shù)值模擬模型具體為：

(1)水流通過消能孔的數(shù)值模擬模型包括以下控制方程：

連續(xù)方程：

動(dòng)量守恒方程：

k-方程：

ε-方程：

其中：x_i(＝x，y)為軸向及徑向方向坐標(biāo)，u_i(＝u_x，u_y)為軸向或徑向方向的水流速度，ρ是流體的密度，p為壓強(qiáng)，v為水流動(dòng)力粘度，v_t是渦粘度，v_t＝C_μ(k²/ε)，k表示湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，C_μ＝0.085，其他參數(shù)取值分別表示為η＝Sk/ε，C₁＝1.42，η_o＝4.377，λ＝0.012，C₂＝1.68，α_k＝α_ε＝1.39；

(2)水流通過消能孔的數(shù)值模擬模型的邊界條件包括：入流邊界、出流邊界、對(duì)稱軸邊界以及壁面邊界，各邊界條件的處理方法是：入流邊界條件有入流平均流速、湍流動(dòng)能分布、湍流動(dòng)能耗散率分布，它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為u_in＝u₀，k＝0.0144u₀²，ε＝k^1.5/(0.5R)，其中u₀為入口平均流速，R為泄洪洞半徑；出流邊界處理方法為假定出流得到充分發(fā)展；對(duì)稱軸邊界的處理方法是假定徑向速度為0，而且各變量沿徑向的梯度也被認(rèn)為是0；壁面邊界的處理方法為邊界層流中采用了無滑移假定，壁面邊界速度與邊界節(jié)點(diǎn)的速度分量相等。

作為優(yōu)選，步驟四中空腔長(zhǎng)度L與相關(guān)因素的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式具體為L(zhǎng)/D＝0.4427(d/D)^-0.3538，其中d/D＝0.4-0.8，Re＞10⁵。