[發(fā)明專利]一種豎縫式魚道漩渦識別方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110047249.8
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112668256A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 譚楠囡;沈春穎
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 昆明明潤知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 53215
• 代理人: 馬海紅

1.一種豎縫式魚道漩渦識別方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

1)建立豎縫式魚道計算域的三維幾何模型：根據(jù)實際研究的三維流動計算域的結(jié)構(gòu)尺寸圖，利用幾何建模軟件建立計算域的三維幾何模型；

2)建立三維流動計算流體力學(xué)模型，三維流動計算流體力學(xué)模型包括流動控制方程；

流經(jīng)魚道內(nèi)的流體假設(shè)為不可壓縮的牛頓流體，所述的流動控制方程由連續(xù)方程、動量方程、k-ε方程構(gòu)成：

連續(xù)方程:

動量方程：

式中，t表示時間；u_i、u_j分別為x_i和x_j方向的平均流速(i，j＝1,2,3)；P為平均壓力；ρ為流體密度；g_i為不同方向的重力加速度；k為紊流動能；ε為紊流動能消散率；μ為水分子粘性系數(shù)；v_T為紊流運動粘性系數(shù)；C_μ＝0.085,為半經(jīng)驗系數(shù)；

k方程和ε方程具有如下形式：

上述各式中，σ_k和σ_ε分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl常數(shù)，此時取σ_k＝σ_ε＝0.72；C_ε1為半經(jīng)驗系數(shù)，取C_ε1＝1.42；C_ε2由k、ε及RNG模型的剪切速率計算所得，取C_ε2＝1.68；P_k為平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項；

采用體積分辨率法VOF追蹤水流自由表面運動，其原理是利用空氣與水的流體控制方程形式相同但物理特性不同的差異，以所占的比例方式帶入控制方程，則自由面位置通過求解水氣兩相的體積分?jǐn)?shù)連續(xù)方程來確定，其方程形式為：

式中：α_w為水的體積分?jǐn)?shù)；α_w＝0表示計算單元內(nèi)全是氣相；α_w＝1表示計算單元內(nèi)全是水相；0＜α_w＜1表示計算單元內(nèi)同時包含水相和氣相；

3)計算域網(wǎng)格劃分，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對魚道邊壁、頂部區(qū)域、豎縫處水流區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理以便數(shù)值計算，獲得精細(xì)化的流動物理參數(shù)，采用基于理查德森外推法的網(wǎng)格不確定度估計方法對計算網(wǎng)格離散誤差進(jìn)行估計并確定計算網(wǎng)格的數(shù)量；

4)設(shè)定邊界條件和算法，按照所研究對象的實際運行工況，設(shè)定相應(yīng)的計算區(qū)域、求解方法、邊界條件進(jìn)行三維流場的數(shù)值計算：計算區(qū)域選取所要模擬的池室；采用控制體積法對偏微分方程組進(jìn)行離散，壓力和速度耦合采用SIMPLE方法；模型進(jìn)口采用速度進(jìn)口，以前期試驗資料的平均流速作為進(jìn)口流速；出口采用壓力出口；頂部設(shè)置為氣體壓力進(jìn)口，壓強(qiáng)1.01×10⁵Pa；邊墻、底部及隔板設(shè)置為固壁邊界，固壁邊界采用標(biāo)準(zhǔn)無滑移邊界，即壁面速度大小為0m/s；并且基于所建立的計算流體動力學(xué)模型，對三維流場進(jìn)行數(shù)值計算；

5)后處理分析，采用后處理軟件對4)計算輸出的結(jié)果進(jìn)行分析處理，獲得流場信息；

6)基于Q判據(jù)對豎縫式魚道漩渦進(jìn)行識別，編寫Q判據(jù)在離散向量場數(shù)據(jù)中的應(yīng)用程序以進(jìn)行漩渦識別；

采用Q判據(jù)理論方法對待判別區(qū)域的三維流場中的漩渦區(qū)進(jìn)行漩渦識別，Q值為：

其中，S和Ω分別是速度梯度張量矩陣的對稱部分和反對稱部分，可以通過下列式子求得：

上述式子中的速度梯度是基于原始坐標(biāo)系下速度梯度張量的坐標(biāo)變換獲得：

其中即：

按照預(yù)設(shè)識別方法，基于速度梯度張量▽V中的第二不變量Q對豎縫式魚道中的漩渦區(qū)域進(jìn)行識別，當(dāng)Q0，表示旋轉(zhuǎn)張量Ω大于應(yīng)變率張量S，即流體的旋轉(zhuǎn)力大于應(yīng)變力，則證明有漩渦存在，反之沒有。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種豎縫式魚道漩渦識別方法，其特征在于：步驟1)所述的三維流動計算域的結(jié)構(gòu)尺寸圖，不同的計算域均可按照其自身尺寸建立相應(yīng)計算域的三維幾何模型。