[发明专利]一种水位波动计算方法

说明书

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种水位波动计算方法。该方法采用计算流体动力学与现场实测数据反演相结合的方法，研究了某水利工程中线典型建筑物大流量输水情况下的水力特性，可对水工建筑物水体流态变化、水位波动过程进行理论分析和机理研究，得出的数值仿真计算结果与实测数据基本一致，为水利工程中线工程大流量输水的安全调度运行提供技术支撑和理论依据，为大流量输水的安全调度提供一定的指导，使工程在保证安全运行的前提下，充分发挥工程效益。

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及水工建筑物水位波动计算领域，具体涉及一种水位波动计算方法。

背景技术

某水利工程是我国水资源调配的战略性工程，主要解决我国部分地区的水资源短缺问题。该工程中线一期工程自2014年全线通水以来，整体运行平稳，目前已安全运行5年，但当工程在大流量输水工况时，部分渡槽、倒虹吸等典型建筑物及与渠道衔接的进、出口处，出现了较明显的水位波动现象，局部出现漩涡、回流、湍流或水体掏刷；部分典型建筑物闸前出现水位雍高，可能影响或加大局部水头损失，出现工程安全隐患，对工程的安全调度运行造成影响。

数值模拟(Numerical Simulation)是运用数值计算和图像显示，来达到对工程问题和物理问题及至自然界各类问题研究目的的一个特定计算方法。其过程为：首先根据问题建立数学模型，其次建立反映问题各量之间关系的微分方程及相应的定解条件，最后选取计算方法进行高效、精确计算。但是，数值模拟需要求解的问题比较复杂，而目前数值求解方法在理论上不够完善，对大流量输水期间出现的水体流态变化、水位波动过程模拟效果不甚理想，因此亟需一种水工建筑物水位波动的计算方法对水位波动进行模拟计算。

发明内容

针对目前大流量输水工况出现较为明显的水位波动情况，目前的数值模拟方法不够完善的的缺陷和问题，本发明提供一种基于 Flow-3D数值分析软件的水位波动计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种水位波动计算方法，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，采用选出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。

上述的水位波动计算方法，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：