[发明专利]一种水位波动计算方法

权利要求书

1.一种水位波动计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在ANSYS有限元软件中根据计算规模和实际渠道顺直段的长度以及模型的上、下游渠道段的长度建立固体域模型；

步骤二、利用SolidWorks软件将所建立的模型转换为Flow-3D软件可以识别的STL格式，并导入Flow-3D软件，在固体域模型基础上添加流体域模型，然后利用Flow-3D流体计算软件进行固体域模型和流体域模型的网格划分；

步骤三、对网格质量进行检查，若网格质量不合格对网格重新进行划分；若网格质量合格，设置模型的边界条件和初始条件；

步骤四、建立不可压缩粘性流体的连续方程和动量方程作为控制方程研究流体与固体之间的相互作用力来描述水体运动；分析模型的本构率定，与现场实测数据进行对比选取合适的湍流模型；

步骤五、在Flow-3D软件中输入输水工况的基本参数，计算模型不同工况的雷诺数，采用选取的湍流模型进行数值仿真模拟分析，对模型进行流速、水深、水位波动的计算以及对尾墩脱落涡特性的分析。

2.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：所述控制方程采用不可压缩粘性流体的连续方程和动量方程，所述连续方程为：

式中：u、v、w分别为x、y、z方向上的流速分量；Ax、Ay、Az分别为x、y、z方向上可流动的面积分数；

所述动量方程为：

式中：G_x、G_y、G_z分别为x、y、z方向的重力加速度，m/s²；f_x、f_y、f_z分别为x、y、z方向的黏滞力；V_F为可流动的体积分数；ρ为流体密度，kg/m³；p为作用在流体微元上的压力。

3.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：步骤二还包括对模型水位波处的网格进行加密。

4.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：所述湍流模型为k-ω、k-ε、RNG k-ε、LES四种湍流模型中的一种或几种。

5.根据权利要求4所述的水位波动计算方法，其特征在于：为了对湍流粘度进行修正，考虑有旋流动对湍流的影响以便于更好的处理瞬变流与弯曲程度较大的流动状态，所述湍流模型选择RNG k-ε模型，其湍动能k：

其消耗率ε：

式中：G_k表示平均速度梯度所引起的湍流动能产生项，G_b表示为浮升力引起的湍流动能产生项，Y_M表示为可压缩湍流动能流动脉动膨胀对总耗散率影响，α_k、α_s表示计算k、ε有效Prandtl数的倒数，其中模型常数C_1ε＝1.42，C_2ε＝1.68。

6.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：对尾墩脱落涡特性的分析包括对尾墩升力系数和斯特劳哈尔数的计算，其中升力系数计算采用

式中，Fl为尾墩所受的升力；ρ为流体密度；U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度；

斯特劳哈尔数计算采用

式中，St即为斯特劳哈尔数，f_st为尾涡脱落频率，U为渡槽出口处平均流速；D为尾墩特征长度。

7.根据权利要求1所述的水位波动计算方法，其特征在于：将网格化后的模型按照结构化网格块进行划分，每个网格块相邻的边界设为对称边界；每个网格块的底部边界和左、右壁边界设为墙体边界；每个网格块的顶部边界设有对称边界。