[發明專利]一種數值模擬跌流水舌的方法

在審

• 申請號: 201910297894.8
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN110059399A
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 邊永歡;郭延凱;廉靜;岳琳;羅曉
• 申請（專利權）人: 河北科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 石家莊新世紀專利商標事務所有限公司 13100
• 代理人: 彭鋰

本發明涉及一種數值模擬跌流水舌的方法，其包括以下步驟：1建立溢流堰模型然后剖分結構性網格并設置邊界條件；2建立跌流水舌迭代計算模型，其包括建立紊流方程、兩相流模型、初始條件和松弛因子；3建立數值模擬結果處理模型，其包括設置顏色條參數、水體積分數和兩相顯示參數。本發明能夠快速、精確的模擬跌流水舌的運動狀態，為水舌擴散規律基本機理發展和實際工程應用提供參考。

技術領域

本發明屬于跌流水舌模擬應用領域，具體涉及一種數值模擬跌流水舌的方法。

背景技術

跌流為水流從緩流過渡到急流，水面急劇降落的急變流現象，當水體在邊壁頂面上流至外邊緣的過程中水深變小，直至水跌跌坎斷面時水深降至為臨界水深，水流狀態變為臨界流，經跌坎斷面后水體重力分力與空氣阻力不相平衡，造成水流加速，水流狀態變為急流。自跌坎斷面下落的水體稱為水舌；水舌落地點與游泳池邊壁外邊緣的垂直距離為水舌長度。

近年來水力學科研工作者針對堰流、水跌及水舌展開了研究。1989年天津大學劉宣烈等對三元空中水舌摻氣擴散特性進行了分析研究，試驗中采用近景立體攝影和電阻式摻氣儀兩種測量方法，對水舌斷面含水濃度、沿程變化以及參數間的關系得到關系式，同時獲得三元水舌縱、橫向擴散規律，給出判定水舌維數的準則，為進一步研究摻氣水舌的運動軌跡分析提供了參考價值；1999年長沙有色冶金設計院樂美承研究了跌水水景設計的相關問題，即跌水流量計算、校核水舌長度，闡述了一般寬頂堰自由出流的流量計算公式、跌落水舌長度計算公式；2003年四川大學刁明軍等采用VOF法數值模擬了挑流消能水氣二相流，研究了射流的空中軌跡線和水墊塘的自由水面，得到了計算域的流線、壓力、流場、紊動能及紊動耗散率分布，并用物理模型對模擬結果進行了驗證，數值模擬結果與物理模型實驗數據吻合良好，說明利用湍流二相流模型及VOF法對空中射流水舌及水墊塘流態模擬是可行的；2017年貴勘院袁強等研究了挑流消能二相流數值模擬在老壩治理中的應用，通過VOF模型與PISO算法對挑流消能從上游庫區到下游水墊塘進行了水氣二相流二維非恒定數值模擬，獲得下泄水流的沖擊情況。

綜合已發表的水舌研究成果發現，科研工作者以傳統測量的方法進行水舌運動規律，建立物理模型和測量數據工作量大、消耗時間，測量結果具有較大的誤差。近年來，部分高校或科研單位逐漸數值模擬挑流水舌運動，但結果并非空間角度，而是二維挑流或者以研究流場和壓強為主，所以目前沒有有效的方法研究水舌運動規律。

在工程和生活中，水舌運動規律應用范圍很廣，小到景觀瀑布的設置，大到水庫水壩在泄洪中建筑的建造，都需要了解水舌的運動規律，所以需要研究開發一種對跌流水舌快速、精確、經濟的模擬方法對水舌運動規律理論研究和工程實際應用提供參考。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種數值模擬跌流水舌的方法，能夠快速、精確的模擬跌流水舌的運動狀態，為水舌擴散規律基本機理發展和實際工程應用提供參考。

為實現上述目的，本發明的技術方案包括以下步驟：

（1）建立溢流堰模型然后剖分結構性網格并設置邊界條件；

（2）建立跌流水舌迭代計算模型，其包括建立紊流方程、兩相流模型、初始條件和松弛因子；

（3）建立數值模擬結果處理模型，其包括設置顏色條參數、水體積分數和兩相顯示參數。

進一步地，步驟（1）中，所述溢流堰模型包括四方體的溢流堰區域（12）以及與溢流堰區域（12）豎直且上部連通的四方體的水舌區域（13），所述溢流堰區域（12）的堰頂為水平；溢流堰區域（12）和水舌區域（13）的連通部分為交接面（6）；