[發明專利]一種水位波動計算方法

在審

• 申請號: 202110367538.6
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113378422A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 許新勇;王松濤;許晨笑;梁金昶
• 申請（專利權）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所(普通合伙) 41162
• 代理人: 高麗華

本發明屬于水利工程技術領域，具體涉及一種水位波動計算方法。該方法采用計算流體動力學與現場實測數據反演相結合的方法，研究了某水利工程中線典型建筑物大流量輸水情況下的水力特性，可對水工建筑物水體流態變化、水位波動過程進行理論分析和機理研究，得出的數值仿真計算結果與實測數據基本一致，為水利工程中線工程大流量輸水的安全調度運行提供技術支撐和理論依據，為大流量輸水的安全調度提供一定的指導，使工程在保證安全運行的前提下，充分發揮工程效益。

技術領域

本發明屬于水利工程技術領域，涉及水工建筑物水位波動計算領域，具體涉及一種水位波動計算方法。

背景技術

某水利工程是我國水資源調配的戰略性工程，主要解決我國部分地區的水資源短缺問題。該工程中線一期工程自2014年全線通水以來，整體運行平穩，目前已安全運行5年，但當工程在大流量輸水工況時，部分渡槽、倒虹吸等典型建筑物及與渠道銜接的進、出口處，出現了較明顯的水位波動現象，局部出現漩渦、回流、湍流或水體掏刷；部分典型建筑物閘前出現水位雍高，可能影響或加大局部水頭損失，出現工程安全隱患，對工程的安全調度運行造成影響。

數值模擬(Numerical Simulation)是運用數值計算和圖像顯示，來達到對工程問題和物理問題及至自然界各類問題研究目的的一個特定計算方法。其過程為：首先根據問題建立數學模型，其次建立反映問題各量之間關系的微分方程及相應的定解條件，最后選取計算方法進行高效、精確計算。但是，數值模擬需要求解的問題比較復雜，而目前數值求解方法在理論上不夠完善，對大流量輸水期間出現的水體流態變化、水位波動過程模擬效果不甚理想，因此亟需一種水工建筑物水位波動的計算方法對水位波動進行模擬計算。

發明內容

針對目前大流量輸水工況出現較為明顯的水位波動情況，目前的數值模擬方法不夠完善的的缺陷和問題，本發明提供一種基于 Flow-3D數值分析軟件的水位波動計算方法。

本發明解決其技術問題所采用的方案是：一種水位波動計算方法，包括以下步驟：

步驟一、在ANSYS有限元軟件中根據計算規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軟件將所建立模型轉換為Flow-3D軟件可以識別的STL格式，并導入Flow-3D軟件，在固體域模型基礎上添加流體域模型，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格劃分；

步驟三、對網格質量進行檢查，若網格質量不合格對網格重新進行劃分；若網格質量合格，設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；分析模型的本構率定，與現場實測數據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，計算模型不同工況的雷諾數，采用選出的湍流模型進行數值仿真模擬分析，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。

上述的水位波動計算方法，所述控制方程采用不可壓縮粘性流體的連續方程和動量方程，所述連續方程為：

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；

所述動量方程為：