[發(fā)明專利]一種水位波動計算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110367538.6
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113378422A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許新勇;王松濤;許晨笑;梁金昶
• 申請（專利權(quán)）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F30/13;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 鄭州明華專利代理事務(wù)所(普通合伙) 41162
• 代理人: 高麗華

1.一種水位波動計算方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一、在ANSYS有限元軟件中根據(jù)計算規(guī)模和實際渠道順直段的長度以及模型的上、下游渠道段的長度建立固體域模型；

步驟二、利用SolidWorks軟件將所建立的模型轉(zhuǎn)換為Flow-3D軟件可以識別的STL格式，并導(dǎo)入Flow-3D軟件，在固體域模型基礎(chǔ)上添加流體域模型，然后利用Flow-3D流體計算軟件進行固體域模型和流體域模型的網(wǎng)格劃分；

步驟三、對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，若網(wǎng)格質(zhì)量不合格對網(wǎng)格重新進行劃分；若網(wǎng)格質(zhì)量合格，設(shè)置模型的邊界條件和初始條件；

步驟四、建立不可壓縮粘性流體的連續(xù)方程和動量方程作為控制方程研究流體與固體之間的相互作用力來描述水體運動；分析模型的本構(gòu)率定，與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比選取合適的湍流模型；

步驟五、在Flow-3D軟件中輸入輸水工況的基本參數(shù)，計算模型不同工況的雷諾數(shù)，采用選取的湍流模型進行數(shù)值仿真模擬分析，對模型進行流速、水深、水位波動的計算以及對尾墩脫落渦特性的分析。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水位波動計算方法，其特征在于：所述控制方程采用不可壓縮粘性流體的連續(xù)方程和動量方程，所述連續(xù)方程為：

式中：u、v、w分別為x、y、z方向上的流速分量；Ax、Ay、Az分別為x、y、z方向上可流動的面積分數(shù)；

所述動量方程為：

式中：G_x、G_y、G_z分別為x、y、z方向的重力加速度，m/s²；f_x、f_y、f_z分別為x、y、z方向的黏滯力；V_F為可流動的體積分數(shù)；ρ為流體密度，kg/m³；p為作用在流體微元上的壓力。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水位波動計算方法，其特征在于：步驟二還包括對模型水位波處的網(wǎng)格進行加密。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水位波動計算方法，其特征在于：所述湍流模型為k-ω、k-ε、RNG k-ε、LES四種湍流模型中的一種或幾種。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水位波動計算方法，其特征在于：為了對湍流粘度進行修正，考慮有旋流動對湍流的影響以便于更好的處理瞬變流與彎曲程度較大的流動狀態(tài)，所述湍流模型選擇RNG k-ε模型，其湍動能k：

其消耗率ε：

式中：G_k表示平均速度梯度所引起的湍流動能產(chǎn)生項，G_b表示為浮升力引起的湍流動能產(chǎn)生項，Y_M表示為可壓縮湍流動能流動脈動膨脹對總耗散率影響，α_k、α_s表示計算k、ε有效Prandtl數(shù)的倒數(shù)，其中模型常數(shù)C_1ε＝1.42，C_2ε＝1.68。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水位波動計算方法，其特征在于：對尾墩脫落渦特性的分析包括對尾墩升力系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)的計算，其中升力系數(shù)計算采用

式中，F(xiàn)l為尾墩所受的升力；ρ為流體密度；U為渡槽出口處平均流速；D為尾墩特征長度；

斯特勞哈爾數(shù)計算采用

式中，St即為斯特勞哈爾數(shù)，f_st為尾渦脫落頻率，U為渡槽出口處平均流速；D為尾墩特征長度。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水位波動計算方法，其特征在于：將網(wǎng)格化后的模型按照結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格塊進行劃分，每個網(wǎng)格塊相鄰的邊界設(shè)為對稱邊界；每個網(wǎng)格塊的底部邊界和左、右壁邊界設(shè)為墻體邊界；每個網(wǎng)格塊的頂部邊界設(shè)有對稱邊界。