[發明專利]一種豎縫式魚道漩渦識別方法

在審

• 申請號: 202110047249.8
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112668256A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 譚楠囡;沈春穎
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 昆明明潤知識產權代理事務所(普通合伙) 53215
• 代理人: 馬海紅

本發明涉及一種豎縫式魚道漩渦識別方法，屬于水利工程、生態工程和工程流體檢測與控制領域。本方法包括以下步驟：具體為：采用具有伽利略不變性的Q判據中速度梯度張量中第二不變量Q對豎縫式魚道中的漩渦進行識別。該方法包括如下步驟：首先，建立基于Q判據的計算流體力學模型；其次，對三維流場進行數值計算；最后，采用Q判據進行漩渦識別。本發明有效識別豎縫式魚道中的漩渦區域，有效性較高，同時擴展了渦識別技術在水利工程領域的應用。

技術領域

本發明涉及一種豎縫式魚道漩渦識別方法，更具體地說，涉及豎縫式魚道漩渦識別方法，該方法是結合模型建立、渦動力學識別方法的魚道漩渦識別方法，屬于水利工程、生態工程和工程流體檢測與控制領域。

背景技術

水利工程在興利除害的同時對生態環境也帶來一些影響，例如對魚類洄游造成阻礙。魚道作為一種生態補償工程，對于保護魚類資源，恢復河流生物多樣性起著重要作用。在眾多的魚道型式中，豎縫式魚道的實際運行已經取得了不錯的效果，然而豎縫式魚道的消能主要集中在豎縫處，豎縫的束窄使水流形成漩渦，導致魚道內流速過高，且較大的漩渦范圍使得水流流態較為紊亂，體積較小的魚類上溯容易受到限制。水流中出現漩渦等流態會對魚類造成不同程度的傷害，如扭傷身體、擊壞眼睛、平衡能力下降，如果池室內漩渦尺度過大，超過魚類的適應范圍，魚類就會迷失方向，甚至沖撞擋板和邊壁，影響過魚效率。隨著現代流體力學科學的發展，對漩渦的識別和可視化研究也在不斷深入，漩渦結構廣泛出現、運用在流體機械中，同時在醫學、航空、海洋領域也有了很多突破。因此，研究豎縫式魚道水力特性，尤其是魚道中的漩渦特征，為優化魚道設計、修復魚類生境提供依據。

鑒于漩渦識別技術在流體領域的廣泛應用，可用于對魚道中的漩渦進行識別，對魚道設計具有重要的指導意義，目前用于識別漩渦的伽利略不變性下的相關渦判據主要包括以下幾種比較有代表性的方法。

λ₂判據：λ₂判據忽略掉了暫態應力項和粘性項，通過S²+Q²來獲得渦心處的極小壓力，這就不可避免地引起相應的誤差。由λ₂判據所定義的局部極小壓力點需要滿足點附近的壓力梯度為零，并且S²+Q²有兩個負特征值。因此，λ₂判據丟棄了滿足壓力極小但不滿足零梯度的點處的渦結構。λ₂判據所識別的渦中混雜著一些小尺度的渦，易收到λ₂閾值的影響；

λ_ci判據：消除了較大的螺旋運動區域，包括的較強的向內的渦流和較強的向外的渦流。另外旋渦強度判據容易收到局部旋渦強度的影響。嚴格來講，旋渦區域是會隨著更大的局部旋渦強度擴展的。

Δ判據：該判據也是一個偏弱的判據。因為該判據雖然指出了有渦的區域▽V具有復數(虛數)特征值，但并沒有明確無渦的區域是否▽V的所有特征值均為實數。

通過對上述方法的研究概況綜述發現，以上所提及典型幾種具有伽利略不變性的方法中，在識別流體漩渦時都會存在一些不足，識別效果一般，因此，有必要建立一種能夠有效識別豎縫式魚道中漩渦的數值模擬方法。

發明內容

本發明提供了一種有效識別豎縫式魚道漩渦的方法，該方法對優化魚道設計有重要作用，并且擴展了漩渦識別技術在流體領域的應用。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種豎縫式魚道漩渦識別方法，所述識別方法包括如下步驟：

1)建立豎縫式魚道計算域的三維幾何模型，根據實際研究的三維流動計算域的結構尺寸圖，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模型，三維流動計算流體力學模型包括流動控制方程；

流經魚道內的流體假設為不可壓縮的牛頓流體，所述的流動控制方程由連續方程、動量方程、k-ε方程構成：

連續方程: