CN102360400B - 自动模拟计算多方案城市大型缓流景观水体流态的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动模拟计算多方案城市大型缓流景观水体流态的设计方法，首先建立大型缓流水体流态评价指标；然后一次划分网格用于模拟计算多种进水口方案；通过编程、建立工程文件(＊.CAS文件)、录制脚本文件(＊.JOU文件)将各部分模拟计算过程集成，程序自行修改边界条件并计算每种方案，从而实现多方案模拟计算的自动化。应用本发明方法只需进行一次网格划分和边界条件设置，节省了大量时间。特别是当设计的可能的进水口较多，则现有计算方法很难将全部方案进行模拟计算。根据本发明方法筛选的最佳方案与现有计算方法得到的方案比较，水体平均流速明显提高、流速分布更加均匀，滞留区水域明显减少，改善了缓流水体水动力条件，进而改善水体水质。

Description

自动模拟计算多方案城市大型缓流景观水体流态的设计方法

技术领域

本发明涉及一种城市大型缓流景观水体循环的设计方法。

背景技术

现阶段使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics简称CFD)软件对景观水体进行流态模拟的研究，大多都是手工选取几个方案进行比选。这些方法人为因素大，主观性强，未必能选出最优的方案。这种情形缘于受困CFD软件本身。CFD软件在计算流态前需要将整个流体划分为网格，并对进口、出口等边界条件做特定的设置，有的还在进口、出口加密网格以强化模拟效果。因而，在设计过程中如果改变进口位置和大小，就涉及到重新划分网格和设定边界条件，而大型景观水体网格数量少则几千个，多则几十万个，网格生成极为耗时，且易出错，生成网格所需要的时间常常大于实际CFD计算时间；此外，CFD模拟计算时一般需要通过界面进行多次人机交互、参数选择来完成。正是这些困难限制了流态模拟中进行大量方案比选的可能性。

发明内容

针对目前许多城市水体多呈封闭、滞流、水体水质极易恶化的问题，采用水体循环方式，以提高水体流速，改善水动力条件，进而改善水体水质，提升水环境质量。本发明提出了一种自动模拟计算多方案大型缓流景观水体流态的设计方法，通过提出对大型缓流水体流态的评价、对网格划分和边界条件设定的改进，经编程与集成，实现了水体流态多方案模拟计算的自动化设计。

本发明的技术方案如下：

一种自动模拟计算多方案城市大型缓流景观水体流态的设计方法，步骤如下：

1)建立大型缓流水体流态评价指标；

2)一次划分网格用于模拟计算多种进水口方案；

3)通过编程、建立工程文件(*.CAS文件)、录制脚本文件(*.JOU文件)，将各部分模拟计算过程集成，程序自行修改边界条件并计算每种方案，从而实现多方案模拟计算的自动化。

本发明的评价指标为：

水体流速的加权均值： $\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}*V_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}---\left(1\right)$

方差： ${\mathrm{Dv}}^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}-\stackrel{\‾}{v})}^2*V_i}{n*\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}---\left(2\right)$

低流速水体控制百分数： $\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_{\mathrm{ibelow}}\≤P_{\mathrm{below}}---\left(3\right)$

其中：——水体流速的加权均值；

V_i——单元网格的质量，由网格体积代替；

v_xi——单元网格中x方向上的流速；

v_yi——单元网格中y方向上的流速；

i——网格序号，用以遍历所有网格；

p_ibelow——根据流速分布函数，在流速小于设定的最小流速的水体中，流速介于第i个区间内的水体体积占总水体体积的百分比；

P_below——设定的流速小于最小流速的水体体积占总体积的百分比要求。

本发明的一次划分网格用于模拟计算多种进水口方案如下：

1)网格划分软件选择

在CAD中生成几何模型，保存为ACIS格式后导入GAMBIT中进行网格的划分和边界条件设置；

2)网格划分

将所有可能的进水口均设置为进口边界，其流速需根据各循环方案中进口状态、面积和循环总流量等因素进行实时设定，对所有进口做加密处理，强化模拟效果；

根据进水口的宽窄、现场条件、结合景观设计要求将进水口分为两类：点进水口和面进水口；对于出水口，根据具体情况进行加密；其他的边界，设置为壁面边界；

因为景观水体的边界比较复杂，所以面网格划分建议采用适应性好的非结构三角形网格，网格间距根据实际需求设置；

检查网格，输出网格文件(*.MSH文件)。

本发明的实现模拟计算的自动化的方法如下：

1)编程与文件设置

①循环方案设置

当循环流量一定，且同一循环方案的各进水口流速相等条件下，循环方案总数计算公式为：

$\mathrm{TN}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n^i={\mathrm{\ΣC}}_n^1+C_n^2+L+C_n^n---\left(4\right)$

式中：TN——方案总数；

——组合公式，从n个进水口中选i个口进水的方案数；

建立“进口方案设置”文件，编制方案顺序，设置每个方案各进口状态，若某进口在此方案中作为进水口，设置为1；若该进口在此方案中不作为进水口，设置为0。

②主程序编程

实现包括读入各输入文件、计算各方案进水口流速、fluent程序调用、方案遍历判断和结果输出等功能。

③UDF编程与工程文件建立

A.DEFINE_EXECUTE_AT_END定义了一个按命令执行的UDF，该宏指定了“输入数据”文件路径和“输出数据交换”文件的路径，计算流场速度加权均值、速度方差、滞留区体积占总体积的百分比，该函数在迭代的最后一步自动执行；

B.DEFINE_PROFILE定义了随空间坐标变化的边界上的速度分布，指定了“输入数据交换”文件路径；

运行fluent，读入建好的*.MSH文件，检查网格，选择计算模型、设置流体属性，将UDF源代码动态加载到fluent环境中，解释和编译UDF，并在fluent中的相应面板上选择以上两个宏函数连接到求解器中，保存工程文件(*.CAS文件)；

④录制journal脚本文件

运行fluent，开始录制*.JOU文件，读入建好的*.CAS文件，对*.CAS文件进行初始化，设置迭代次数，停止录制*.JOU文件；

2)程序流设计

①启动主程序，读取用户输入文件，设置初始条件；

②主程序根据当前方案的进口状态计算进口流速并写入“输入数据交换”文件；

③主程序调用Fluent；

④Fluent按照预设的journal脚本执行程序，包括：

A.读入*.CAS文件——初始化网格，其中包括用预设的UDF读入“输入数据交换”文件的流速设置，并赋值给进口边界；

B.迭代计算——流场迭代计算至运算结果收敛；

C.统计计算——使用预设的UDF计算统计结果；

D.结果输出——将结果写入“输出数据交换”文件；

⑤一旦主程序监测到UDF的计算结果文件存在，则结束Fluent进程；

⑥主程序从“输出数据交换”文件中读入计算结果并输出到“总方案”文件；

⑦判断是否遍历所有方案，是，则执行⑧；否，则转入②，进行下一方案模拟计算；

⑧根据公式(3)，筛选满足过滤条件的可行方案，并输出到“可行方案”文件中；

⑨程序结束。

具体详细说明如下：

现阶段对整个流体划分网格时，需确定进水口边界条件，然后模拟计算；若进水口边界条件改变如进水口位置、大小等，则需重新划分网格，即：一次只能模拟计算一种进水口方案。本发明可在划分网格时将所有可能的进水口一次性设计好，并通过各进口的组合构建可能的所有水体循环方案，确定各方案的进口边界条件，以便对每一种可能的水体循环方案逐一模拟计算，即：一次划分网格可用于模拟计算多种进水口方案；

现阶段对整个流体流态模拟计算所采用的计算流体力学(CFD)软件，一次只能对一种水体循环方案进行模拟计算，且模拟计算一般需要通过界面进行多次人机交互、参数选择等完成；本发明通过编程、建立工程文件(*.CAS文件)、录制脚本文件(*.JOU文件)等，可一次模拟计算多种水体循环方案，即通过编程等将各部分模拟计算过程集成，包括程序流的设计、数据交换等，计算中不需人来选择、干预，程序自行修改边界条件进而计算出每种方案，从而实现模拟计算的自动化。

(1)提出对缓流水体流态的评价指标

在水体总循环水量一定的情况下，水体流速分布越均匀，速度方差越小，平均值越大，则流场状态越好。反之，如果存在局部流速过小，如死水区，则影响了水体修复效果。

由于在进行流场模拟计算时要将湖泊划分为不同大小的网格，在计算平均流速时应考虑网格质量的加权效果。故提出评价水体流场状态评价模型。

评价指标：针对大型景观水体，以水体流速的加权均值和方差作为评价流场状态、表征水体水动力条件改善的2个指标。

水体流速的加权均值： $\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}*V_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}---\left(1\right)$

方差： ${\mathrm{Dv}}^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}-\stackrel{\‾}{v})}^2*V_i}{n*\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}---\left(2\right)$

由于上述2个统计指标还不能反应流速分布的细节，在此基础上继续研究流速的分布函数，即不同流速的水体体积占水体总体积的百分比，如图1所示。

之所以使用流速分布函数，而不是直接由每个单元的流速进行计算，是由于单元总数巨大(几十万)而且重复性很强，直接计算将耗费计算机巨大的资源，而使用流速分布函数可以避免反复的遍历所有单元，而且能够提供比均值和方差更丰富的信息。

利用流速分布函数，建立所有循环方案中可行方案的过滤条件，即：为减少水体滞留区面积，应控制流速过低的水体体积分数，如式(3)，该式也可作为水体流态的评价指标。

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_{\mathrm{ibelow}}\≤P_{\mathrm{below}}---\left(3\right)$

(2)网格划分方法

1)网格划分软件选择

网格是CFD模型的几何表达式，也是模拟与分析的载体。对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时，且易出错，生成网格所需要的时间常常大于实际CFD计算时间。选择合适的网格划分方法对于有大量可选方案的CFD问题具有极其重要的意义。在本发明中选择专业网格生成软件GAMBIT，为CFD模拟生成网格模型。

首先，几何模型的构建方法需根据水体的复杂程度确定。对于简单的几何模型可以在GAMBIT中构造，但是GAMBIT不是专业化的CAD(计算机辅助设计CAD-Computer AidedDesign)软件，所以对于复杂的几何模型，就必须借助CAD专用支撑软件来完成。本发明方法主要是针对城市大型缓流景观水体，且进水口较多、形式不一，涉及到的问题比较复杂，所以就需要在CAD中生成几何模型，保存为ACIS格式后导入GAMBIT中进行网格的划分和边界条件设置。

2)网格划分

对于大型缓流水体，为推动水体循环，可能会设置多个进水口。在常规模拟计算过程中，一旦改变了进口的位置和大小，就需要重新划分网格和设定边界条件。

因此本发明方法将所有可能的进水口均设置为进口边界，并对所有进口做加密处理，以强化模拟效果。

根据进水口的宽窄、现场条件、结合景观设计要求等将进水口分为两类：点进水口和面进水口。由于点、面进水口，流场变化比较大，为了强化模拟效果，适当进行加密处理，间隔尺寸(interval size)设置尽量小一些，具体设置的数值视具体情况确定；对于出水口，根据具体情况进行适当的加密；对于进出口相邻的边界，在必要的时候设置扩展段，使网格间距逐渐从密到疏；其他的边界，则依实际情况设置为壁面边界。

因为景观水体的边界比较复杂，所以面网格划分建议采用适应性好的非结构三角形网格，网格间距根据实际需求设置。

3)边界条件设定

将所有可能的进水口边界条件设为velocity-inlet，进口流速需根据各循环方案中进口状态、进口面积和循环总流量等因素进行实时设定；出水口边界条件设为outflow；其余边界条件设为wall.

检查网格，输出网格文件(*.MSH文件)，该网格文件将在fluent中进行CFD的求解。

(3)编程与程序流设计

1)编程与文件设置

①循环方案设置

当循环流量一定，且同一循环方案的各进水口流速相等条件下，循环方案总数计算公式为：

$\mathrm{TN}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n^i={\mathrm{\ΣC}}_n^1+C_n^2+L+C_n^n---\left(4\right)$

式中：TN——方案总数；

——组合公式，即从n个不同元素中取出i个元素的组合数，本方法中为从可能的n个进水口中选i个口进水的方案数。

循环方案设置可通过进口方案设置加以实现，即建立“进口方案设置”文件，编制方案顺序，设置每个方案各进口状态，若某进口在此方案中作为进水口，设置为1；若该进口在此方案中不作为进水口，设置为0。

假如方案中进口个数较多，也可按下述方法设置进口方案：

依次将1，2，3，……，(2ⁿ-1)转为n位的二进制数(n为进口个数)，每个二进制数对应一个进口方案，二进制数中的1表示该进口在此方案中作为进水口，0表示该进口在此方案中关闭。按照上述方法遍历进口方案，只需在主程序中编程计算，无需设置“进口方案设置”文件。

②主程序编程

主程序编程，实现包括读入各输入文件、计算各方案进水口流速、fluent程序调用、方案遍历判断和结果输出等功能。

③UDF编程与工程文件建立

借助UDF(User-Defined Function)使用C语言编写扩展fluent的程序代码。用户的函数通过DEFINE宏来定义，在本方法中通过DEFINE_EXECUTE_AT_END和DEFINE_PROFILE两个函数定义流场各指标计算、进口位置条件判断与速度赋值和结果输出等。具体为：

A.DEFINE_EXECUTE_AT_END定义了一个按命令执行的UDF，该宏指定了“输入数据”文件路径和“输出数据交换”文件路径，计算流场速度加权均值、速度方差、滞留区体积占总体积的百分比，该函数在迭代的最后一步自动执行；

B.DEFINE_PROFILE定义了随空间坐标变化的边界上的速度分布，指定了“输入数据交换”文件路径。

运行fluent，读入建好的*.MSH文件，检查网格，选择计算模型、设置流体属性，将UDF源代码动态加载到fluent环境中，解释和编译UDF，并在fluent中的相应面板上选择以上两个宏函数连接到求解器中，保存工程文件(*.CAS文件)。

④录制journal脚本文件

运行fluent，开始录制*.JOU文件，读入建好的*.CAS文件，对*.CAS文件进行初始化，设置迭代次数(为保证所有的方案能够收敛，数值可以设置较大一些)，停止录制*.JOU文件。

2)程序流设计

①启动主程序，读取用户输入文件，如“进口方案设置”文件等，设置初始条件；

②主程序根据当前方案的进口状态计算进口流速并写入“输入数据交换”文件；

③主程序调用Fluent；

④Fluent按照预设的journal脚本执行程序，包括：

A.读入*.CAS文件——初始化网格，其中包括用预设的UDF读入“输入数据交换”文件的流速设置，并赋值给进口边界；

B.迭代计算——流场迭代计算至运算结果收敛；

C.统计计算——使用预设的UDF计算统计结果；

D.结果输出——将结果写入“输出数据交换”文件；

⑤一旦主程序监测到UDF的计算结果文件(即上述“输出数据交换”文件)存在，则结束Fluent进程；

⑥主程序从“输出数据交换”文件中读入计算结果并输出到“总方案”文件；

⑦判断是否遍历所有方案，是，则执行⑧；否，则转入②，进行下一方案模拟计算；

⑧根据公式(3)，筛选满足过滤条件的可行方案，并输出到“可行方案”文件中；

⑨程序结束。

上述程序流如图2所示。

本发明的效果是：

①如用现有计算方法模拟计算多个方案，需进行多次网格划分和边界条件设置；应用本发明方法只需进行1次网格划分和边界条件设置，节省了大量时间。特别是当设计的可能的进水口较多，则现有计算方法很难将全部方案进行模拟计算。

②本发明方法完成网格划分后，启动主程序即可自动完成所有方案的模拟计算，较之以往模拟计算时的多次人机交互、参数选择，方便快捷；

③因本发明方法遍历所有方案后取水体流速加权均值最大者为最优方案，而用现有计算方法一般只模拟计算其中几个方案，故本发明方法筛选的最佳方案的水体流速加权均值通常大于现有计算方法得到的循环方案的水体流速加权均值，且水体速度分布更加均匀，水体水动力条件得到明显改善。

④因本发明方法中提出了低流速水体百分数控制条件，致使筛选的最佳方案减少了滞留区水域，提高了水体循环效果，进而改善水体水质。

附图说明

图1流速数值分布图；

图2程序流框图；

图3网格全局图；

图4点进水口网格划分示意图；

图5面进水口网格划分示意图；

图6出水口网格划分示意图；

图7现有计算方法得到的循环方案速度分布云图；

图8本发明方法筛选的最佳方案速度分布云图；

图9现有计算方法得到的循环方案速度分布直方图；

图10本发明方法筛选的最佳方案速度分布直方图。

具体实施方式

本例为一景观水体，水面面积192084m²，水深为1.8-2.5m，平均水深为2.1m，循环水量为3361.5m³/h。设计可能的进水口4个，出水口1个。用本发明方法的步骤为：

1)水体循环方案确定

按公式(4)计算水体循环方案共15个，建立“进口方案设置”文件，建立各方案进口状态向量R：

$R=\left[r_{i,j}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 1\\ 1& 1& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1\\ 1& 0& 1& 1\\ 0& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

r_i，j——表示第i方案中可能的第j进口的状态。r_i，j＝1，第i方案中可能的第j进口设为进水口；r_i，j＝0，第i方案中可能的第j进口不设为进水口。

2)构建几何模型

根据用户提供的水面图KG.DW6，采用CAD生成相应的几何模型，保存为ACIS格式的KG.SAT文件导入GAMBIT中。

3)网格划分与网格边界条件设定

采用非结构三角形网格划分面网格，interval size(三角形网格线相邻端点在边界上分点时使用的间隔长度)设为1，本例的水面网格划分结果如图3所示。

图中1、2、3、4为可能的进水口，5为出水口。将所有可能的进口全部设为进水口，并做加密处理以强化模拟效果。

图4为点进水口处的网格划分，图中ab段为进水口，长为2米，interval size设为0.5，边界条件为velocity inlet；bc段为点进水口向两边扩展段(为图示清楚，图中ab左端的扩展段未完全呈现)，长为8米，ratio设为1.2，intervalcount设为6(将扩展段分为6段)，边界条件为wall；cd段(为图示清楚，图中ab左端扩展段后的边壁未画出)interval size为3，边界条件为wall。

图5为面进水口处的网格划分，图中ef段为进水口，长度为25米，intervalsize设为2.0，边界条件为velocity inlet；fg段为面进水口向两端扩展段(为图示清楚，图中ef左端的扩展段未完全呈现)，长为48米，interval size设为3.0，由于ef段的interval size为2.0，与扩展段fg的interval size为3.0相差不大，所以ratio用默认值1.0，边界条件为wall。

图6为出水口处的网格划分，图中ij段为出水口，长度为30米，interval size设为2.0，边界条件为outflow；hi和jk段interval size为3(ratio为默认值1.0)，边界条件为wall。

进出水口以外的其它边界interval size设为3.0，边界条件为wall。

4)网格检查与输出

检查网格，并输出网格文件(KG.MSH文件)。在此对每一个进口单独试验，以最大限度确保每个方案均可以达到迭代收敛。

5)编写UDF与工程文件建立

通过DEFINE宏定义用户函数，具体为：

A.DEFINE_EXECUTE_AT_END指定了“velocitylimit.txt”和“velocityresults.txt”文件的输入输出路径，并分别按式(1)～(3)计算流场的速度加权均值、速度方差、水体中滞留区体积占总体积的百分比等；

B.DEFINE_PROFILE函数指定了速度文件“velocityinitiates.txt”的输入路径，判断各个进口的坐标值，并将速度文件中的进口速度赋值给相应的进口边界。

运行fluent，读入建好的KG.MSH文件，检查网格，选择计算模型为k-epsilon模型、设置流体属性为water-liquid，将UDF源代码动态加载到fluent环境中，解释和编译UDF，并在fluent的相应面板中选择以上两个宏函数连接到求解器中，保存工程文件(KG.CAS文件)。

6)录制journal脚本文件

运行fluent，开始录制KG.JOU文件，读入建好的KG.CAS文件，对该文件进行初始化，设置迭代次数为1000，停止录制KG.JOU文件。

7)编写主程序

按图2编写主程序，实现包括读入输入文件、初始条件、调用fluent、方案遍历判断和结果输出等功能。

8)确定输入输出文件路径，在输入文件中设置初始参数、条件等。

9)启动主程序运行，完成水体循环模拟计算

按图2所示流程完成水体循环各方案的模拟计算，将计算结果存入“KGZFA.TXT”，并进一步判断每个方案是否满足公式(4)，满足，则为可行方案，将所有可行方案结果输出至“KGKXFA.TXT”，至此，自动模拟计算结束。

10)结果分析

分析15个水体循环方案，取其水体流速的加权均值尽可能大、且方差尽可能小的方案与原有设计方案进行比较，以说明本发明方法的使用效果。分析结果如下：

①如用现有计算方法模拟计算15个方案，需进行15次网格划分和边界条件设置；应用本发明方法同样计算模拟15个方案只需进行1次网格划分和边界条件设置，节省了大量时间。如设计的可能的进水口更多，则现有计算方法很难将全部方案进行模拟计算。此外，模拟计算时，程序根据每个循环方案的进口状态、面积和循环总流量等因素实时设定进口流速，自动完成15个循环方案模拟计算，较之以往模拟计算时的多次人机交互、参数选择，方便快捷。

②15个方案遍历后取水体流速加权均值最大者为最优方案，该方案将进口1，3，4设为进水口，而用现有计算方法一般只模拟计算其中2-3个方案，以只将进口1设为进水口方案为例，两种方法得到的循环方案的速度分布云图见图7、图8。

③现有计算方法得到的水体循环方案的平均速度为0.007044m/s，速度方差为0.002226。应用本发明方法筛选的最佳方案平均速度为0.007938m/s，速度方差为0.002142。本发明将水体的平均速度提高了12.69％，并且降低了水体的速度方差，即水体的速度分布更加均匀。

④从速度分布直方图(图9、图10)可以看到，应用本发明方法速度分布明显向较高速度方向偏移，降低了低流速区域的百分比，提高了高流速区域的百分比。本例将水流速度小于0.0015m/s的水域设为滞留区，则原方案滞留区水体体积占总水体体积的18.9％；而采用发明方法筛选的最佳方案滞留区水体体积占总水体体积的9.3％。

Claims (3)

1.自动模拟计算多方案城市大型缓流景观水体流态的设计方法，其特征是步骤如下：

1）建立大型缓流水体流态评价指标；

2）一次划分网格用于模拟计算多种进水口方案，网格划分方法如下：

将所有可能的进水口均设置为进口边界，其流速需根据各循环方案中进口状态、面积和循环总流量等因素进行实时设定，对所有进口做加密处理，强化模拟效果；

根据进水口的宽窄、现场条件、结合景观设计要求将进水口分为两类：点进水口和面进水口；对于出水口，根据具体情况进行加密；其他的边界，设置为壁面边界；

3）通过编程、建立工程文件*.CAS文件、录制脚本文件*.JOU文件将各部分模拟计算过程集成，程序自行修改边界条件并计算每种方案，从而实现多方案模拟计算的自动化；

评价指标为：

水体流速的加权均值： $\stackrel{\‾}{v}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}*V_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}---\left(1\right)$

方差： ${\mathrm{Dv}}^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\sqrt{(v_{\mathrm{xi}}^2+v_{\mathrm{yi}}^2)}-\stackrel{\‾}{v})}^2*V_i}{n*\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}---\left(2\right)$

低流速水体控制百分数： $\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_{\mathrm{ibelow}}\≤P_{\mathrm{below}}---\left(3\right)$

其中：

——水体流速的加权均值；

V_i——单元网格的质量，由网格体积代替；

v_xi——单元网格中x方向上的流速；

v_yi——单元网格中y方向上的流速；

i——网格序号，用以遍历所有网格；

p_ibelow——根据流速分布函数，在流速小于设定的最小流速的水体中，流速介于第i个

区间内的水体体积占总水体体积的百分比；

P_below——设定的流速小于最小流速的水体体积占总体积的百分比要求。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征是所述的实现模拟计算的自动化的方法如下：

1）编程与文件设置

①循环方案设置

当循环流量一定，且同一循环方案的各进水口流速相等条件下，循环方案总数计算公式为：

$\mathrm{TN}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n^i=\mathrm{\Σ}{C}_n^1+C_n^2+...+C_n^n---\left(4\right)$

式中：TN——方案总数；

——组合公式，从n个进水口中选i个口进水的方案数；

建立“进口方案设置”文件，编制方案顺序，设置每个方案各进口状态，若某进口在此方案中作为进水口，设置为1；若该进口在此方案中不作为进水口，设置为0；

②主程序编程

编程实现包括读入各输入文件、计算各方案进水口流速、Fluent程序调用、方案遍历判断和结果输出功能；

③UDF编程与工程文件建立

A.DEFINE_EXECUTE_AT_END定义了一个按命令执行的UDF，DEFINE_EXECUTE_AT_END指定了“输入数据”文件路径和“输出数据交换”文件路径，计算流场速度加权均值、速度方差、滞留区体积占总体积的百分比，DEFINE_EXECUTE_AT_END在迭代的最后一步自动执行；

B.DEFINE_PROFILE定义了随空间坐标变化的边界上的速度分布，指定了“输入数据交换”文件路径；

运行Fluent，读入建好的*.MSH文件，检查网格，选择计算模型、设置流体属性，将UDF源代码动态加载到Fluent环境中，解释和编译UDF，并在Fluent中的相应面板上选择DEFINE_EXECUTE_AT_END和DEFINE_PROFILE连接到求解器中，保存工程文件*.CAS文件；

④录制journal脚本文件

运行Fluent，开始录制*.JOU文件，读入建好的*.CAS文件，对*.CAS文件进行初始化，设置迭代次数，停止录制*.JOU文件;

2）程序流设计

①启动主程序，读取用户输入文件，设置初始条件；

②主程序根据当前方案的进口状态计算进口流速并写入“输入数据交换”文件；

③主程序调用Fluent；

④Fluent按照预设的journal脚本执行程序，包括：

A.读入*.CAS文件——初始化网格，其中包括用预设的UDF读入“输入数据交换”文件的流速设置，并赋值给进口边界；

B.迭代计算——流场迭代计算至运算结果收敛；

C.统计计算——使用预设的UDF计算统计结果；

D.结果输出——将结果写入“输出数据交换”文件；

⑤一旦主程序监测到UDF的计算结果文件存在，则结束Fluent进程；

⑥主程序从“输出数据交换”文件中读入计算结果并输出到“总方案”文件；

⑦判断是否遍历所有方案，是，则执行⑧；否，则转入②，进行下一方案模拟计算；

⑧根据公式（3），筛选满足过滤条件的可行方案，并输出到“可行方案”文件中；

⑨程序结束。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征是步骤2）的网格划分采用非结构三角形网格。

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