[發明專利]一種城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法

在審

• 申請號: 202010046752.7
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111400967A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 周領;方浩宇;王沛;曹云;潘天文;薛子劍;李赟杰
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/18;G06F113/08;G06F113/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法，其特征在于，利用k-εRNG湍流模型來模擬城市雨洪系統間歇泉現象,具體步驟如下：

(1)構建城市雨洪系統間歇泉的三維模擬數學模型；可壓縮水氣兩相瞬變流動采用VOF模型描述，求解水相體積分數方程、混合相的動量方程以及能量方程基礎上，耦合湍流方程封閉整個求解系統；

(2)根據工程實例建立三維流道模型，并進行網格劃分；

(3)根據工程實例，設置初始條件及邊界條件；

(4)求解控制方程系統，對監控點進行壓力監控，并對氣水界面進行追蹤。

2.根據權利要求1所述的城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法，其特征在于，所述步驟(1)還包括：

(1.1)水體密度和水錘波速的計算；

水體密度為：

其中，為液體絕對參考壓力下的密度；ρ_w和K為分別絕對壓力p_w^*下的液體密度及體積模量；

水錘波速為：

其中，K_set為根據實際波速折合了管壁彈性后的虛擬水體彈性模量。根據實際測量波速，由公式(2)求得虛擬水體彈性模后，將該值再代入公式(1)、(2)，即可實時根據計算的壓力更新水體密度及波速；

(1.2)空氣可壓縮性采用理想氣體定律；

(1.3)湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，其標準的控制方程為

湍動粘度μ_t用k-ε的函數表示：

式中：k為湍動能；ε為湍流耗散率；σ_k和σ_ε分別是k和ε的紊流普朗特數，μ是粘性系數，G_k是由平均速度梯度產生的湍流動能，G_b是由浮力產生的湍流動能，Y_M是由可壓縮湍流脈動擴散的，值取為C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3。

3.根據權利要求1所述的城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法，其特征在于，步驟(2)還包括：

(2.1)劃分網格采用結構性網格，在橫豎管相接的三通處進行細化，縱向長度小于0.022，遞增比例小于1.1；

(2.2)豎管在靠近三通處細化，長度為0.001，豎管的縱向網格小于0.00626。

4.根據權利要求1所述的城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法，其特征在于，步驟(3)具體還包括：

將劃分好的網格文件導入ANSYS軟件FLUENT模塊，根據實施例設置：

(3.1)初始條件：

(3.1.1)設置水相、氣相對應得計算域；

(3.1.2)設置氣體初始壓力、水體初始壓力；

(3.2)邊界條件：

(3.2.1)固定壁面：運動邊界：靜止、光滑且無滑移；熱力邊界：對流，并根據實際設置管壁厚度；

(3.2.2)瞬變啟動條件，閥門開啟：根據閥門開啟規律編寫UDF，并設定運動區域；假定閥門線性開啟，其旋轉角速度ω與關閉時間t_c之間的關系為：

(3.2.3)入口設置：進水口斷面為壓力進口，在實驗過程中為系統提供穩定的水壓，根據實際設置壓力大小；

(3.2.4)出口入口：出口邊界為壓力出口，相對壓力為零。

5.根據權利要求1所述城市雨洪系統間歇泉瞬態特性的三維模擬方法，其特征在于，步驟(4)具體還包括：

水氣界面追蹤采用幾何重構技術，具體流程為：

(4.1)在步驟3的基礎上，選擇瞬態求解器；

(4.2)選擇VOF兩相模型，確立RNG k-ε湍流模型；

(4.3)設定空氣相密度按氣體定律變化；

(4.4)連續方程及動量方程求解采用PISO算法，設定各變量松弛因子，對各壓力傳感器位置進行壓力監控、溫度傳感器位置進行溫度監控，設定時間步長進行迭代求解。